第二章 晶体缺陷试题知识点.docx

1、第二章 晶体缺陷试题知识点第二章 晶体缺陷 P2 问题 空位形成应该遵循物质守恒，即内部原子跑到表面上。空位形成整体是膨胀过程，但具体机制较复杂。一方面，缺少了原子会造成整体收缩；另一方面，跑到表面的原子使体1.如果测量产生积增加，综合效果是形成一个空位导致半个原子体积的增加。相关问题有：2.将点阵常数测量结果与晶体整体膨胀的事实做空位的晶体，其点阵常数是增大还是缩小？对比，能够发现什么与空位浓度相关的规律？提示：由简到繁是惯用的方法，故可以考虑一 维晶体。 增大答： 随着晶体整体膨胀的增加，空位浓度增加。-P213 空位的测量详见潘金生材料科学基础 溶质原子尽管造成局部的排列偏离，但并不把它

2、算为点缺陷，为什么？ 问题答：由对“置换原子”与“空位”的比较及“间隙溶质”与“自间隙原子”的比较可知， 溶质原子的加入所产生的对于标准态的偏离比较小，因此不把它算为点缺陷。 22()(b)图中黑原子半径比白的中的置换原子的尺寸画得有些随意。假定问题图黑色5(c)5 ，问那种情况下基体内的应变能更大些？为什么？，而图中大小b ）图中应变能更大。答：（ a周围白原子点阵常数变图中，）（b）图中，周围白原大，呈现拉伸状态。（ 子点阵常数变小，呈现压缩状态。由右结合能的图像可知，在平衡位r0左右，曲线并非对称。产生相同的形置 变，压缩引起的应变能更大。 (b)图中应变能更大。所以 P4 )MgO(O

3、AlNaCl中，形成的非禀性点缺陷在正离子的位置，还是相 问题溶入具有结构32 反？AlOMgOAl+3Mg+2价，所以当两个铝离子答：离子是价，溶入晶体，由于，而离子是32取代两个镁离子的位置后，附近的一个镁离子必须空出，形成的非禀性点缺陷在正离子的位 置。 23(a)的画法有些问题。更好的画法是将图中的大小方块画在一起，即正负离问题图(65) 。为什么成对的画法更好些？参见余永宁“材料科学基础”图子空位成对出现 因为正、负电中心成对出现的时候，可以抵消一点局部电中性的无法满足。答：正、负电中心有相互吸引作用，离得越远，系统能量越高。因此，正负离子空位成对 出现时，使系统自由能降低，是自发过

4、程。 P7 ST?G?U?中的负号？如何理解问题 Gibbs能减少，混乱度增加（即熵增加）在自然界中，物质的运动都趋于答：，可见GS 的增加是两个相反的过程，因此应取负号。的增加与Gibbs自由能是指焓中能自由做功的那部分能量，而当熵增加时，混乱度增加，粒子 的运动形态越活跃，则焓中能自由做功的能量减少，因此取负号。 ?G?U?T?S?表示变化，而物理化学的变化一定涉及起始状态与终问题中的式了状态的概念。请具体指出这一小节中起始状态与终了状态的含义，即举例说明。注意，这 个问题看似简单，但非常重要。n个空位的晶体”。在这一小节中的起始状态是“理想晶体”，而终了状态是“存在答：AlOMgO(Na

5、Cl)中，形成的非禀性点缺陷，起始状态是晶体理想结溶入例如，对具有结构32 构，终了状态是铝离子取代镁离子后，有正离子空位产生，形成有点缺陷的离子晶体结构。 高温下有可能产生空位对，即两个空位复合在一起。问题为什么会有这种情况？注意， 要结合低温的情形进行全面的分析。UGibbsG=U-TS知，自由能增大。而增大，由函数答：在高温下，空位浓度增加，内能为了使能量尽可能小，出现两个空位复合的现象，是因为在高温下，熵起主要作用。当两个G 减小。空位复合在一起时，空位形式种类增加，对组态数的影响是正的。即使 金属的空位形成能与其熔点有何关系？为什么？问题 1、熔化的难易程度与结合能有关。原子间结合得

6、越紧密，越难以融化，答：即熔点越高。2、空位的形成能是原子在体内结合键能与表面结合键能之差，与结合能有关，结合能 越高，空位形成能越大。 。“金属的空位形成能越大，熔点越高”因此，C 2 3超过怎样的数值，你认为该式就不适用了？当式中的问题eC计算过程中可知，其假设空位形成能为常数，这就要求各个空位在形成过程答：在e中，相互独立，无影响，这在空位浓度较低时才能近似满足。因此该式仅适用于空位浓度较1%10% 之间。低的情况，大约在 “高能粒子辐照”几个字中，高能粒子除能量高外有无别的隐性含义？问题 高能粒子受散射小，穿透能力强，能够深入材料内部，形成足够的空位浓度。答：?STU?G?SUG?H?

7、T?替。，而不是请说明用 问题严格讲，应该写成 H?的合理性。代?pV?U?H?，在我们讨论的晶体范围内，一般涉及到的均为凝聚态，压答：由 U?H?。替代强与体积的影响非常小，可以忽略不计，因此可以用问题 是什么振动熵？理想晶体中的振动熵与含空位的振动熵有什么差异？参考：kTlnNkS?3 。 vhv1 、振动熵是指由于振动形式的多样性而造成的独立微观状态数。答：2、可以将晶体模型中的拉压情形类比于弹簧模型的拉压。显然易见，含空位的晶体与?k?kh。因此理想比较小的弹簧，又能量正比于劲度系数，即理想晶体相比是劲度系数? hh。可从两种角度来看：大于含空位晶体中的晶体中() () SvSv。含空

8、位晶体理想晶体由振动熵公式可知，从物理上理解，晶格振动的能量可用声子模型来描述。当温度一定时，总能量一定。?hh，因此理想晶体中声子种数小于含空位晶而又由于理想晶体中大于含空位晶体中的() () SvSv。体，即振动形式少于含空位晶体，也就是理想晶体含空位晶体A1 的，为什么？问题 考虑了振动熵概念之后，平衡空位浓度增加，即是大于?U?T?S曲线应该向下移，答：由下图可见，当考虑了振动熵之后，平衡处与之抗衡的neA1的。也应该相应增大，则由图可见，平衡空位浓度是大于增加，即（熵的作用能力越 强，越易于空位的形成） “由于自间隙原子的形成能是空位形成能的几倍，实际晶体中的空位浓度远大于问题 ，这

9、句话可以理解为“自间隙原子现象可以忽略不计”吗？请给予说明。自间隙原子浓度” 可以。答： 1.NaClMgO6eV/2.2eV/为什问题 与个。的结构相同，但肖脱基缺陷形成能分别为个与 2.请根据这两个数据对它们的肖脱基缺陷的浓度情况做出判断。么数据差异如此之大？MgONaCl1晶体都是通过离子键相结合的与答：、肖脱基缺陷形成能与结合能成正比。负离子通离子键是由正、离子晶体。而在材料物理基础的离子结合一节中，我们可以得知，ONaMgClZZ?离过库仑力而形成的，其平衡时晶体结合能。而和离子为一价离子，与? NaClMgO，即肖脱基缺陷形成能前者大得多。子均为二价离子，因此的结合能大于 MgO2

10、NaCl。中肖脱基缺陷的浓度大于、肖脱基形成能越大，越难以形成，因此P13 ()存在于某一晶面内，该位错环的各个部分可能都即位错线呈环状问题 有一个位错环 是刃位错吗？可能都是螺位错吗？为什么？ ：可能是刃位错，一定不是螺位错。答而螺位错的伯氏矢因为刃位错的伯氏矢量垂直于位错线，所以显见，量平行于位错线。同一根位错线上的伯氏矢量相同。而各处都平行对于位错环容易做到各处伯氏矢量垂直于位错线， ,b1b2bb?不满足上面的条件。于位错环却无法办到。如图，都平行于位错环，但和21 P16 ? 52。总是大于从几何的角度分析，为什么刃位错中的。参考图问题 yxyx2-5方向上晶格常数发生了明显的压缩预

11、拉伸，而可见，插入半原子面后在答：从图 方向上则几乎无变化。?0? 52。问题 从几何的角度分析，为什么刃位错中的。参考图zxyz2-5，想象纵向劈开该晶体，从侧面观察露出来的晶面，原子间角度无变化，答：参看图?=0. =0，同理可得因此zxyz? x?y0?0x?。参考图当问题 从几何的角度分析，为什么在刃位错中，或时，xy 25。? xy?0? 2-50x?。可见，在和答：参看图方向上，原子间角度无变化，因此xy?00?0y。；当时，问题 从几何的角度分析，为什么在刃位错中，当时，xx 25。参考图)(2-5y0，周围原子受压，因答:参看图可见，当插入半原子面后，当时即上半原子面内?00?

12、 0y。时，周围原子受拉，即此，而当xx?0?2. 1.y=0。； 问题从几何的角度分析，为什么在刃位错中，当时：“最大”xyx 52。参考图?00?0，可见，当可见，在刃位错中，当时，时，答：、参看图xx?0(y=0) 。时，可类比于工程力学中“梁弯曲的中性层”概念当x? 2y=0。时，原子间角度变化最大，因此“最大”、当xyP18 什么是外应力场？请按“属种差”方式给出定义，并举例说明。 问题 属：应力场，即因原子排列偏离理想状态而产生的应力的空间分布。答： 种差：外，即外部给予的。 综上所述，外应力场是指“由外力引起的原子排列偏离理想状态，从来产生的应力 的空间分布。 如果外力场是纯剪切

13、应力，问它对立方系的空位会产生作用吗？ 问题答：立方系的空位可看成球对称的点缺陷，其只产生正应力场，而外立场是纯剪切应力 与正应力场性质不同，不会产生作用。?Fe八面体间隙中的碳原子，会产生作用吗？为问题 对于一根直螺位错，它对溶入 什么？ 不会。答：?Fe八面体间隙中的碳原子可看成球对称因为直螺位错只产生剪切应力场，而溶入 的点缺陷，其只产生正应力场，两者的产生的场的性质不同，不会产生作用。?1.?Fe八面体间隙中的碳原子，会产生作用吗？问题 对于一根直刃位错，它对溶入2.如果有相互作用，结局会怎样？提示：结局一定是系统自由能下降。但需要同学为什么？ 们具体指出如何下降。?1?Fe而对于溶入

14、会。直刃位错会产生三个方向上的正应力场和一个切应力场，答：、 八面体间隙中的碳原子产生正应力场，两者有相同性质的场存在，会产生作用。 2、结局会导致碳原子数向刃位错下方聚集，形成“柯氏气团”。因为在刃位错下方，原 子受拉，晶格常数变大，碳原子待在该处的产生的应变能小，即使系统自由能下降。 同一滑移面上有两个相互平行的正刃位错，它们相互吸引还是排斥，为什么？ 问题 排斥。答：2Eb?，由刃位错能量公式可知，刃位错能因此当两个正刃位错距离无限远时，位错总?222b42b?EE2bb?2，能量而当两个正刃位错靠近合成一个时，伯氏矢量为总能量， 即可推断当两个相互平行的正刃位错靠近时，总能量增大，因此

15、它们相互排斥。 一个直螺位错平行于一个直刃位错，说明这两个位错之间没有相互作用。问题?、，而在直螺位错中，仅有另外两个应力答：直刃位错中有应力场、zxyzyxy? ，它们之间没有性质相同的场存在，因此两个位错之间没有相互作用。zx P22 问题 应力与通常的力是不同的概念。在上面的分析中，是如何将外应力转换为作用在 一个个原子身上的力？2?af? 。答：通过应力场作用在一个个原子身上，作用在原子身上力的大小为问题 上述分析中，为什么总是强调小的位移？这里位移与正应力相关，还是与剪切应 力相关？1、因为每个原子虽只有很小的位移，但位错却发生了较大位移，说明有位错的晶答： 体位错滑移仅需很小的剪切

16、力。2 、这里位移与剪切应力有关。212yozx1.方向。问：中纸面是平面，垂直于纸面的就是问题 按着讲义中的说法，图?902.o，即其中的剪切应力应该具体写成当、的方向水平转动、中的哪一个？yzxyzxx 的方向，此时刃位错还会滑移吗？为什么？指向? 1。、答：yz?2的方向从一个平衡位置到另一个平衡位置需要移动一个原子、不会。因为原子要沿a ，位移较大，因此要使刃位错滑移需要非常大的外应力。间距()最容对于没有位错的理想单晶体，沿密排面中的密排方向原子间距最小的方向 问题 易产生滑移，为什么？ 由第一章的认识可知，密排晶面的面间距最大，而沿密排答： 最小，由面中密排方向原子移动距离最小，可见