第四章 固體的缺陷（不完美性） 本章主題 • 固體缺陷種類 • 缺陷與數量的控制 • 缺陷對於材料性質的影響 • 缺陷的重要性
固體的不完美性 結晶構造皆非完美 缺陷對於性質影響很大 許多重要性直接因缺陷而產生
缺陷種類 • 空位 • 插入型原子 • 置換型原子 點缺陷 • 差排 線缺陷 • 晶界 面缺陷
點缺陷 • 空位: 結構中無原子的位置. 空位 原子平面扭曲 •自格隙： 原子位置以外的額外原子. 自格隙 原子平面扭曲
點缺陷的平衡濃度 æ - ö N Q ç ÷ = exp ç ÷ è ø N k T •缺陷平衡濃度與溫度有關 缺陷數目 活化能 v v 可能缺陷位置數 è ø N k T 溫度 波滋曼常數 -23 (1.38 x 10 J/atom-K) -5 (8.62 x 10 eV/atom-K) 可能缺陷位置數 ＝原子位置的總數
量測活化能 ç ÷ N = exp - Q k T æ è ö ø v •活化能Qv 可由實驗獲得 • 先獲得下面關係 • 重新繪圖 1/ • 先獲得下面關係 • 重新繪圖 1/ T N v ln - Q /k 斜率 N v 缺 陷 濃 度 指數關係 ! 溫度T(度K)
估計空位濃度 ç ÷ N = exp - Q k T æ è ö ø = 2.7 x 10-4 • 求1 m3銅在1000C 時空位的平衡濃度 : 3 r = 8.4 g / cm A = 63.5 g/mol Cu Q = 0.9 eV/atom N = 6.02 x 1023 atoms/mol A v 8.62 x 10-5 eV/atom-K 0.9 eV/atom 1273K ç ÷ N v = exp - Q k T æ è ö ø = 2.7 x 10-4 1 m3 原子的 可能位置 （數目） N A Cu N = r x = 8.0 x 1028 位置數 • 答 N v = (2.7 x 10-4)(8.0 x 1028) 位置= 2.2 x 1025 空位數
金屬的點缺陷 雜質原子(B) 加入母材原子(A)中，有2種結果: OR • B固溶於A中(i.e., random dist. of point defects) OR 置換固溶體(如, Cu in Ni) 格隙固溶體(如, C in Fe) • B固溶於A中加上新相顆粒(通常富含B原子) 第2相顆粒 （與母相的成分、結構皆不同）
點缺陷 產生置換固溶的條件 Rothery 法則 1. r (原子半徑) < 15% 2. 週期表中位置相近（亦即陰電性相近） 2. 週期表中位置相近（亦即陰電性相近） 3. 純金屬的結晶結構相同 4. 價電子數 其它條件相同時，高價電子數的金屬較低價電子數的金屬易於固溶
固溶 應用Hume–Rothery 法則於固溶體 Al 或 Ag 較易於 溶解於在Zn中? 2. Cu中可溶解較多 的 Zn 或 Al ? Element Atomic Crystal Electro- Valence Radius Structure nega- (nm) tivity Cu 0.1278 FCC 1.9 +2 C 0.071 H 0.046 O 0.060 Ag 0.1445 FCC 1.9 +1 Al 0.1431 FCC 1.5 +3 Co 0.1253 HCP 1.8 +2 Cr 0.1249 BCC 1.6 +3 Fe 0.1241 BCC 1.8 +2 Ni 0.1246 FCC 1.8 +2 Pd 0.1376 FCC 2.2 +2 Zn 0.1332 HCP 1.6 +2 Table on p. 106, Callister 7e.
成分的表示 成分的表示法 重量百分比 m1 = 成分1的質量 nm1 =成分1的莫爾數 原子百分比
線缺陷 差排: 鋅單晶變形示意圖 (HCP): 滑移階梯 • 線缺陷, • 差排移動時導致結晶面相對滑動, • 產生永久（塑性）變形. • 線缺陷, • 差排移動時導致結晶面相對滑動, • 產生永久（塑性）變形. 鋅單晶變形示意圖 (HCP): 變形前 • 拉伸變形後 滑移階梯 Adapted from Callister 7e.
線曲線 線缺陷（差排） 刃差排: 螺旋差排: 圍繞差排的一些原子排列將產生錯誤 晶體內額外的原子半平面 B（伯格向量） 差排線 因剪應變所產生的螺旋狀突起面 B（伯格向量） 差排線 伯格向量, b: 結晶格子扭曲的一種度量
刃差排 伯 格 向 量 刃 差 排 線 Fig. 4.3, Callister 7e.
螺旋差排 螺旋差排 Screw Dislocation 差排線 伯格向量 b b Dislocation line (b) Burgers vector b (b) (a) Adapted from Fig. 4.4, Callister 7e.
刃差排、螺旋差排、混合差排 混合差排 刃差排 螺旋差排 Adapted from Fig. 4.5, Callister 7e.
差排線 電子顯微鏡下的差排 Adapted from Fig. 4.6, Callister 7e.
固體中的面缺陷 – 晶界 晶界 晶界中原子密度較低 晶粒的邊界 由一晶粒的原子排列轉變成列一晶粒的原子排列 晶界中原子排列較不規則 移動性高 擴散性高 化學活性高 Adapted from Fig. 4.7, Callister 7e.
其它固體中的面缺陷 雙晶界/面 疊差 原子以雙晶面呈現鏡面對稱. FCC 金屬的ABCABC 排列順序產生錯誤 如： ABCABABC Adapted from Fig. 4.9, Callister 7e.
結論 • 固體中有點、線、面缺陷 • 缺陷的形式與數量可變化，並加以控制 • 缺陷影響材料性質(如晶界影響差排滑移). • 固體中有點、線、面缺陷 • 缺陷的形式與數量可變化，並加以控制 (如以溫度控制空位濃度） • 缺陷影響材料性質(如晶界影響差排滑移). • 有些缺陷不利於性質，有些有利。 (如：差排可能有利、或有害，端視需要塑性變形與否)