材料科學(xué)基礎(chǔ)點(diǎn)缺陷

第七講

第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷內(nèi)容：晶體缺陷種類點(diǎn)缺陷1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。2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對規(guī)則的排列。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。晶體缺陷的影響：晶體缺陷對晶體的性能和物理化學(xué)變化(如強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、固態(tài)相變等)都有著重大影響第三章3維納斯“無臂”之美更深入人心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4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。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。點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。第三章5第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷一點(diǎn)缺陷1點(diǎn)缺陷的類型（1）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。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。（3）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6第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷一點(diǎn)缺陷第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning7第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷一點(diǎn)缺陷肖脫基空位弗蘭克爾空位第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷8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進(jìn)行熱振動(dòng)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)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，面且同一原子在不同瞬間的能量也不相同，也就是說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它的束縛，就有可能遷移到別處，這樣在原來的平衡位置上出現(xiàn)空結(jié)點(diǎn)，稱為“空位”。第三章9其它點(diǎn)缺陷晶體中的點(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，例如空位對或空位片等．10點(diǎn)缺陷對晶體結(jié)構(gòu)的影響

空位和間隙原子都將使周圍原子間作用力失去平衡，點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸變，形成應(yīng)力場，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窕冃∮陂g隙原子的晶格畸變，空位形成能也小于間隙原子形成能。11點(diǎn)缺陷的平衡濃度2點(diǎn)缺陷的平衡濃度（1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷－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G-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。）（2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度

C=Aexp(-?Ev/kT)第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷12點(diǎn)缺陷平衡濃度公式推導(dǎo)體系自由能：內(nèi)能增殖：系統(tǒng)熵增殖：組態(tài)熵：推導(dǎo)：第三章13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14平衡點(diǎn)缺陷對體系自由能的影響自由能變化：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)。所以一般情況下，金屬晶體的點(diǎn)缺陷主要是指空位。

第三章15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）第三章第一節(jié)點(diǎn)缺陷16三、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)給空位的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件，空位就是通過與周圍原子不斷地?fù)Q位來實(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。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)所造成的原子遷移正是擴(kuò)散現(xiàn)象的基礎(chǔ)。第三章17點(diǎn)缺陷對性能的影響點(diǎn)缺陷能使金屬的電阻增加；體積膨脹，密度減??；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；過飽和點(diǎn)缺陷還可以提高金屬的屈服強(qiáng)度。第三章18四、過飽和點(diǎn)缺陷概念：在某些特殊情況下，晶體也可以具有超過平衡濃度的點(diǎn)缺陷，稱之為過飽和點(diǎn)缺陷。幾