材料科學基礎(chǔ)點缺陷

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變化(如強度、塑性、擴散、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（如擴散、相變）和性能控制（如材料強化）中具有重要作用。晶體缺陷：實際晶體中與理想點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。點缺陷：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：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個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)缺陷一點缺陷1點缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位－離位原子進入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位－離位原子進入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子。第三章第一節(jié)點缺陷6第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷一點缺陷第三章第一節(jié)點缺陷(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning7第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷一點缺陷肖脫基空位弗蘭克爾空位第三章第一節(jié)點缺陷8點缺陷對晶體結(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，點陣產(chǎn)生彈性畸變，形成應力場，引起晶體內(nèi)能升高。點缺陷形成能：點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缺陷形成能。通常空位引起的晶格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。11點缺陷的平衡濃度2點缺陷的平衡濃度（1）點缺陷是熱力學平衡的缺陷－在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點缺陷（空位），這時體系的能量最低－具有平衡點缺陷的晶體比理想晶體在熱力學上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點缺陷時，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，對應的n值即為平衡空位數(shù)。）（2）點缺陷的平衡濃度C=Aexp(-?Ev/kT)第三章第一節(jié)點缺陷12點缺陷平衡濃度公式推導體系自由能：內(nèi)能增殖：系統(tǒng)熵增殖：組態(tài)熵：推導：第三章13斯特令近似：求極值：討論：1、存在極小值；2、時體系自由能最小。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平衡點缺陷對體系自由能的影響自由能變化：結(jié)論：當晶體中存在平衡濃度的空位時，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?。所以一般情況下，金屬晶體的點缺陷主要是指空位。

第三章15點缺陷的運動點缺陷的運動（遷移、復合－濃度降低；聚集－濃度升高－塌陷）第三章第一節(jié)點缺陷16三、點缺陷的運動和作用空位運動：空位周圍原子的熱振動給空位的運動創(chuàng)造了條件，空位就是通過與周圍原子不斷地換位來實現(xiàn)其運動的。遷移能：空位運動時，必然會引起點陣畸變，因而必須克服能壘，為此所需要的額外的能量稱為遷移能。點缺陷運動的實質(zhì)：點缺陷的運動實際上是原子遷移的結(jié)果，而這種點缺陷的運動所造成的原子遷移正是擴散現(xiàn)象的基礎(chǔ)。第三章17點缺陷對性能的影響點缺陷能使金屬的電阻增加；體積膨脹，密度減??；能加速與擴散有關(guān)的相變、化學熱處理及高溫下的塑性變形和斷裂等；過飽和點缺陷還可以提高金屬的屈服強度。第三章18四、過飽和點缺陷概念：在某些特殊情況下，晶體也可以具有超過平衡濃度的點缺陷，稱之為過飽和點缺陷。幾種獲得過飽和點缺陷的方法