材料科學(xué)基礎(chǔ)

材料科學(xué)基礎(chǔ)第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月在實際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運動，以及晶體的形成條件、冷熱加工過程和其他輻射、雜質(zhì)等因素的影響，實際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對晶體的性能，特別是對那些結(jié)構(gòu)敏感性能，如屈服強度、斷裂強度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等有很大影響。另外晶體缺陷還與擴散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等有密切關(guān)系。因此，研究晶體缺陷具有重要的理論與實際意義。第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型

按幾何形態(tài)分類:

1.點缺陷

2.線缺陷

3.面缺陷第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.點缺陷（零維缺陷）

缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括： 空位（vacancy）、 間隙質(zhì)點（interstitialparticle）、 雜質(zhì)質(zhì)點（foreignparticle）。點缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、高溫動力學(xué)過程等有關(guān)。第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-1晶體中的點缺陷

(a)空位(b)雜質(zhì)質(zhì)點(c)間隙質(zhì)點第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.線缺陷（一維缺陷）指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，如各種位錯（dislocation）。線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-2

(a)刃位錯(b)螺位錯

(a)

(b)第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.面缺陷

面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小，如晶界、相界等。面缺陷的取向及分布與材料斷裂韌性有關(guān)。

第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-3面缺陷－晶界

第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1點缺陷(pointdefects)是在結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。特征：三個方向尺寸都很小，不超過幾個原子間距。晶體點缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點缺陷，如空位對、空位團和空位-溶質(zhì)原子對等。第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

分類方法分別有按照位置、成分和產(chǎn)生原因等不同角度進行分類，不同分類方法可能產(chǎn)生重疊交叉。

2.1.1點缺陷的類型第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月一、按照位置和成分分類

空位

填隙質(zhì)點

雜質(zhì)缺陷

第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、空位：正常結(jié)點沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空結(jié)點，稱為空位或空穴第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、填隙質(zhì)點：原子或離子進入晶體中正常結(jié)點之間的間隙位置，成為填隙原子（或離子）或間隙原子（或離子）。從成分上看，填隙質(zhì)點可以是晶體自身的質(zhì)點，也可以是外來雜質(zhì)的質(zhì)點

第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3、雜質(zhì)缺陷：外來雜質(zhì)質(zhì)點進入晶體中就會生成雜質(zhì)缺陷，從位置上看，它可以進入結(jié)點位置，也可以進入間隙位置

第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、按照缺陷產(chǎn)生原因分類熱缺陷雜質(zhì)缺陷非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)缺陷

第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、熱缺陷：當(dāng)晶體的溫度高于0K時，由于晶格上質(zhì)點熱振動，使一部分能量較高的質(zhì)點離開平衡位置而造成缺陷。離開平衡位置的原子有三種去處：a移到晶體表面的正常結(jié)點而留下空位：肖特基缺陷（Schottky）

b擠入點陣的間隙位置，晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子稱為弗侖克爾缺陷（Frenkel）C跑到其他晶體缺陷處而使空位消失或使空位移位。第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-4熱缺陷產(chǎn)生示意圖

（a）弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）（b）單質(zhì)中的肖特基缺陷的形成第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）弗侖克爾缺陷：在晶格熱振動時，一些能量較大的質(zhì)點離開平衡位置后，進入到間隙位置，形成間隙質(zhì)點，而在原來位置上形成空位。特點：間隙質(zhì)點與空位總是成對出現(xiàn)第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）肖特基缺陷：如果正常格點上的質(zhì)點，在熱起伏過程中獲得能量離開平衡位置遷移到晶體的表面，而在晶體內(nèi)部正常格點上留下空位。特點：肖特基缺陷的生成需要一個像晶界、位錯或者表面之類的晶格排列混亂的區(qū)域；正離子空位和負(fù)離于空位按照分子式同時成對產(chǎn)生；伴隨晶體體積增加。第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月取代由于外來質(zhì)點進入晶體而產(chǎn)生的缺陷填隙

雜質(zhì)摻雜量一般較小(~0.1%），進入晶體后無論位于何處，均因雜質(zhì)質(zhì)點和原有的質(zhì)點性質(zhì)不同，故它不僅破壞了質(zhì)點有規(guī)則的排列，而且在雜質(zhì)質(zhì)點周圍的周期勢場引起改變，因此形成—種缺陷。2、雜質(zhì)缺陷：第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體中雜質(zhì)含量在未超過其固溶度時，雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)，這與熱缺陷是不同的。第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1-大的置換原子

4-復(fù)合空位

2-肖脫基空位

5-弗蘭克爾空位

3-異類間隙原子

6-小的置換原子第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月缺陷產(chǎn)生的能量變化形成空位或間隙原子等點缺陷時，其周圍區(qū)域的原子偏離平衡位置必然使晶體能量升高，這種由點陣畸變造成的能量增加稱為畸變能。形成點缺陷時也將導(dǎo)致電子運動狀態(tài)發(fā)生變化而使晶體能量升高，這種能量增加稱為電子能形成一個空位或間隙原子所需提供的能量稱為空位形成能或間隙原子形成能。第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡點缺陷的濃度(equilibriumpointdefect）晶體中點缺陷的存在造成點陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性；由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動頻率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。這兩個相互矛盾的因素使得晶體中的點缺陷在一定的溫度下有一定的平衡濃度。點缺陷的產(chǎn)生第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月ΔU的變化是線性的,TΔS隨著缺陷的增加變化是非線性的，二者的綜合作用是使系統(tǒng)的總自由能隨著點缺陷的增加先降低，而后又增加。在一定的溫度下，晶體中存在一個平衡的熱力學(xué)點缺陷濃度，在此濃度下，系統(tǒng)最穩(wěn)定，自由能最低第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月點缺陷在T溫度時的平衡濃度為：Ce：某一種類型點缺陷的平衡濃度；u：該點缺陷形成能;N：晶體的原子總數(shù)；ne：平衡點缺陷數(shù)目；A：材料常數(shù)，其值常取1;K：玻爾茲曼常數(shù),約為1.38×10-23J/K；(4-1)第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月在一般的晶體中間隙原子的形成能較大（約為空位形成能的3-4倍）。因此，在同一溫度下，晶體中間隙原子的平衡濃度C要比空位的平衡濃度C′低得多。在通常情況下，相對于空位，間隙原子可以忽略不計；但是在高能粒子輻照后，產(chǎn)生大量的弗蘭克爾缺陷，間隙原子數(shù)就不能忽略。第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月過飽和點缺陷的產(chǎn)生(supersaturatedpointdefect)

在點缺陷的平衡濃度下晶體的自由能最低，系統(tǒng)最穩(wěn)定。當(dāng)在一定的溫度下，晶體中點缺陷的數(shù)目明顯超過其平衡濃度時，這些點缺陷稱為過飽和點缺陷，通常它的產(chǎn)生方式有三種:淬火(quenching)冷加工(coldworking)輻照(radiation)第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.淬火高溫時晶體中的空位濃度很高，經(jīng)過淬火后，空位來不及通過擴散達到平衡濃度，在低溫下仍保持了較高的空位濃度,第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.冷加工金屬在室溫下進行壓力加工時，由于位錯交割所形成的割階發(fā)生攀移，從而使金屬晶體內(nèi)空位濃度增加第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.輻照當(dāng)金屬受到高能粒子（中子、質(zhì)子、氘核、α粒子、電子等）輻照時，晶體中的原子將被擊出，擠入晶格間隙中，由于被擊出的原子具有很高的能量，因此還有可能發(fā)生連鎖作用，在晶體中形成大量的空位和間隙原子第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體中的點缺陷處于不斷的運動狀態(tài)．當(dāng)空位周圍原子的熱振動動能超過激活能時，就可能脫離原來結(jié)點位置而跳躍到空位。正是靠這一機制．空位發(fā)生不斷的遷移，同時伴隨原子的反向遷移。間隙原子也是在晶格的間隙中不斷運動。點缺陷的遷移第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月由于熱運動，間隙原子也可由一個間隙位置遷移到另一個間隙位置空位和間隙原子遷移也會引起點陣畸變，引起能量升高。空位或間隙原子遷移所需要克服的能壘，分別稱為空位遷移激活能和間隙原子遷移激活能第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷地產(chǎn)生與復(fù)合才不停地由一處向另一處作無規(guī)則的布朗運動，這就是晶體中原子的自擴散，是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)等物理化學(xué)過程的基礎(chǔ)。第35頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月在常溫下，平衡濃度的點缺陷對材料力學(xué)性能影響并不大，但是在高溫下空位的濃度很高，空位在材料變形時的作用就不能忽略?？瘴坏拇嬖诩捌溥\動是晶體高溫下發(fā)生蠕變的重要原因之一。晶體在室溫下也可能有大量非平衡空位，如從高溫快速冷卻時保留的空位，或者經(jīng)輻照處理后的空位，這些過量空位往往沿—些晶面聚集，形成空位片?；蛘咚鼈兣c其他晶體缺陷發(fā)生交互作用．因而使材料強度有所提高、但同時也引起顯著的脆性。第36頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月點缺陷對材料性能的影響原因：無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點位