材料科學(xué)基礎(chǔ)點(diǎn)缺陷

1、1第七講第三章第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷內(nèi)容：內(nèi)容：1.晶體缺陷種類晶體缺陷種類2.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷2第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷第三章案例討論：工程上大量使用形變加工的方法改善金屬材料的強(qiáng)度及其它性能，從材料晶體結(jié)構(gòu)的角度設(shè)想其中的原理。3理想晶體和實(shí)際晶體理想晶體：即原子或分子在空間呈絕理想晶體：即原子或分子在空間呈絕對(duì)規(guī)則的排列。對(duì)規(guī)則的排列。實(shí)際晶體：晶體的某些區(qū)域總是存在實(shí)際晶體：晶體的某些區(qū)域總是存在原子或分子的不規(guī)則排列。原子或分子的不規(guī)則排列。晶體缺陷的影響：晶體缺陷對(duì)晶體的晶體缺陷的影響：晶體缺陷對(duì)晶體的性能和物理化學(xué)變化性能和物理化學(xué)變化(如強(qiáng)度、塑性、如強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、固態(tài)相

2、變等擴(kuò)散、固態(tài)相變等)都有著重大影響都有著重大影響第三章4維納斯維納斯“無(wú)臂無(wú)臂”之美更深入人心之美更深入人心 晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容第三章第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷5第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。有重要作用。晶體缺陷晶體缺陷：實(shí)際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。：實(shí)際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、：在三維空間各方

3、向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。間隙原子、異類原子等。線缺陷線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。大的缺陷。主要是位錯(cuò)。面缺陷面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。第三章6第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷一一 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷1 點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：）空位：肖脫基空位離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。肖脫基空位離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位離位原子

4、進(jìn)入晶體間隙。弗蘭克爾空位離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷7第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷一一 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning8第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷一一 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷肖脫基空位肖脫基空位 弗蘭克爾空位弗蘭克爾空位第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷9點(diǎn)缺陷的形成構(gòu)成晶體的所有原子總是以其平衡位置為中心構(gòu)成晶體的所有原子總是以其平衡位置為中心進(jìn)行熱振動(dòng)進(jìn)行熱振

5、動(dòng) 原子熱振動(dòng)的平均能量與晶體所原子熱振動(dòng)的平均能量與晶體所處的溫度有關(guān)，溫度越高，平均能量越大。當(dāng)處的溫度有關(guān)，溫度越高，平均能量越大。當(dāng)溫度一定時(shí)，原子熱振動(dòng)的平均能量是一定的溫度一定時(shí)，原子熱振動(dòng)的平均能量是一定的 但是各原子在同一瞬間的熱振動(dòng)能量并不相同，但是各原子在同一瞬間的熱振動(dòng)能量并不相同，面且同一原子在不同瞬間的能量也不相同，也面且同一原子在不同瞬間的能量也不相同，也就是說(shuō)各原子的能量總是處于不斷起伏變化之就是說(shuō)各原子的能量總是處于不斷起伏變化之中，這種現(xiàn)象稱為中，這種現(xiàn)象稱為能量起伏能量起伏由于能量起伏，由于能量起伏，總有一些原子的能量大到足以克服周圍原子對(duì)總有一些原子的能量

6、大到足以克服周圍原子對(duì)它的束縛，就有可能遷移到別處，這樣在原來(lái)它的束縛，就有可能遷移到別處，這樣在原來(lái)的平衡位置上出現(xiàn)的平衡位置上出現(xiàn)空結(jié)點(diǎn)空結(jié)點(diǎn)，稱為，稱為“空位空位”。第第三三章章10其它點(diǎn)缺陷晶體中的點(diǎn)缺陷除了包括空位、晶體中的點(diǎn)缺陷除了包括空位、間隙原子、置換原子外，還包括間隙原子、置換原子外，還包括由這些基本點(diǎn)缺陷組成的三維方由這些基本點(diǎn)缺陷組成的三維方向上的尺寸都很小的復(fù)雜缺陷，向上的尺寸都很小的復(fù)雜缺陷，例如例如空位對(duì)空位對(duì)或或空位片空位片等等11點(diǎn)缺陷對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響 空位和間隙原子都將使周圍原子間作空位和間隙原子都將使周圍原子間作用力失去平衡，點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變，用力失去平衡，

7、點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變，形成應(yīng)力場(chǎng)，引起晶體內(nèi)能升高。形成應(yīng)力場(chǎng)，引起晶體內(nèi)能升高。點(diǎn)缺陷形成能：點(diǎn)缺陷的引入使得晶點(diǎn)缺陷形成能：點(diǎn)缺陷的引入使得晶體內(nèi)能升高，這部分增加的能量稱為體內(nèi)能升高，這部分增加的能量稱為點(diǎn)缺陷形成能。通?？瘴灰鸬木Ц顸c(diǎn)缺陷形成能。通?？瘴灰鸬木Ц窕冃∮陂g隙原子的晶格畸變，空位畸變小于間隙原子的晶格畸變，空位形成能也小于間隙原子形成能。形成能也小于間隙原子形成能。12點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度點(diǎn)缺陷的平衡濃度 （1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷在一定溫度下，在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系晶體

8、中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系的能量最低具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)的能量最低具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結(jié)果是在使自由能降低。其結(jié)果是在G-nG-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)應(yīng)的應(yīng)的n n值即為平衡空位數(shù)。）值即為平衡空位數(shù)。） （2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度）點(diǎn)缺陷的平衡濃度 C=Aexp(-Ev/kT)第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷13點(diǎn)缺陷

9、平衡濃度公式推導(dǎo)體系自由能：內(nèi)能增殖：系統(tǒng)熵增殖：組態(tài)熵：推導(dǎo)：第第三三章章14斯特令近似：求極值：討論：1、存在極小值； 2、 時(shí)體系自由能最小。平衡濃度公式：影響平衡濃度的因素：1、溫度 2、空位形成能 15平衡點(diǎn)缺陷對(duì)體系自由能的影響自由能變化：自由能變化：v結(jié)論：當(dāng)晶體中存在平衡濃度的空位時(shí)，不但結(jié)論：當(dāng)晶體中存在平衡濃度的空位時(shí)，不但不增加晶體的自由能反而可以最大限度地降低其不增加晶體的自由能反而可以最大限度地降低其自由能。因此，空位是熱力學(xué)穩(wěn)定的晶體缺陷。自由能。因此，空位是熱力學(xué)穩(wěn)定的晶體缺陷。間隙原子平衡濃度：間隙原子平衡濃度：v間隙原子的形成能較大，在相同溫度下間隙原間隙原子

10、的形成能較大，在相同溫度下間隙原子比空位平衡濃度小得多，通?？梢院雎圆挥?jì)。子比空位平衡濃度小得多，通?？梢院雎圆挥?jì)。 所以一般情況下，金屬晶體的點(diǎn)缺陷主要是指空所以一般情況下，金屬晶體的點(diǎn)缺陷主要是指空位。位。 KTEACieexp第第三三章章16點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)u點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷17 三、點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)和作用 空位運(yùn)動(dòng)：空位周圍原子的熱振動(dòng)給空位空位運(yùn)動(dòng)：空位周圍原子的熱振動(dòng)給空位的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件，空位就是通過(guò)與周圍的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件，空位就是通過(guò)與周圍原子不斷地?fù)Q位來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的。

11、原子不斷地?fù)Q位來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的。遷移能：空位運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起點(diǎn)陣畸遷移能：空位運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，因而必須克服能壘，為此所需要的額變，因而必須克服能壘，為此所需要的額外的能量稱為遷移能。外的能量稱為遷移能。點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)：點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)：點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是原子遷移的結(jié)果，而這種點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)是原子遷移的結(jié)果，而這種點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)所造成的原子遷移正是擴(kuò)散現(xiàn)象的基礎(chǔ)。所造成的原子遷移正是擴(kuò)散現(xiàn)象的基礎(chǔ)。第第三三章章18點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響1.點(diǎn)缺陷能使金屬的電阻增加；2.體積膨脹，密度減小；3.能加速與擴(kuò)散有關(guān)的相變、化學(xué)熱處理及高溫下的塑性變形和斷裂等；4.過(guò)飽和點(diǎn)缺陷還可以提高金屬的屈服強(qiáng)度。第第三三章章19四、過(guò)飽和點(diǎn)缺陷概念：在某些特殊情況下，晶體也可以具有超過(guò)平概念：在某些特殊情況下，晶體也可以具有超過(guò)平衡濃度的點(diǎn)缺陷，稱之為過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。衡濃度的點(diǎn)缺陷，稱之為過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。幾種獲