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(shí)際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運(yùn)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(shí)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(qiáng)度、斷裂強(qiáng)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(kuò)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)（interstitialparticle）、 雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（foreignparticle）。點(diǎn)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(diǎn)缺陷

(a)空位(b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(c)間隙質(zhì)點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)缺陷(pointdefects)是在結(jié)點(diǎn)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(gè)方向尺寸都很小，不超過幾個(gè)原子間距。晶體點(diǎn)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(diǎn)缺陷，如空位對、空位團(tuán)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(jìn)行分類，不同分類方法可能產(chǎn)生重疊交叉。

2.1.1點(diǎn)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(diǎn)

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(diǎn)沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空結(jié)點(diǎn)，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(diǎn)：原子或離子進(jìn)入晶體中正常結(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以是晶體自身的質(zhì)點(diǎn)，也可以是外來雜質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)

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(diǎn)進(jìn)入晶體中就會生成雜質(zhì)缺陷，從位置上看，它可以進(jìn)入結(jié)點(diǎn)位置，也可以進(jìn)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(jì)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(shí)，由于晶格上質(zhì)點(diǎn)熱振動，使一部分能量較高的質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)而留下空位：肖特基缺陷（Schottky）

b擠入點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，一些能量較大的質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置后，進(jìn)入到間隙位置，形成間隙質(zhì)點(diǎn)，而在原來位置上形成空位。特點(diǎn)：間隙質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)，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(diǎn)上留下空位。特點(diǎn)：肖特基缺陷的生成需要一個(gè)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(shí)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(diǎn)進(jìn)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(jìn)入晶體后無論位于何處，均因雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)和原有的質(zhì)點(diǎn)性質(zhì)不同，故它不僅破壞了質(zhì)點(diǎn)有規(guī)則的排列，而且在雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)缺陷時(shí)，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(diǎn)陣畸變造成的能量增加稱為畸變能。形成點(diǎn)缺陷時(shí)也將導(dǎo)致電子運(yùn)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(gè)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(diǎn)缺陷的濃度(equilibriumpointdefect）晶體中點(diǎn)缺陷的存在造成點(diǎn)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(gè)相互矛盾的因素使得晶體中的點(diǎn)缺陷在一定的溫度下有一定的平衡濃度。點(diǎn)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(diǎn)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(gè)平衡的熱力學(xué)點(diǎn)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(diǎn)缺陷在T溫度時(shí)的平衡濃度為：Ce：某一種類型點(diǎn)缺陷的平衡濃度；u：該點(diǎn)缺陷形成能;N：晶體的原子總數(shù)；ne：平衡點(diǎn)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(jì)；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(diǎn)缺陷的產(chǎn)生(supersaturatedpointdefect)

在點(diǎn)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(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過其平衡濃度時(shí)，這些點(diǎn)缺陷稱為過飽和點(diǎn)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(shí)晶體中的空位濃度很高，經(jīng)過淬火后，空位來不及通過擴(kuò)散達(dá)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(jìn)行壓力加工時(shí)，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(shí)，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(diǎn)缺陷處于不斷的運(yùn)動狀態(tài)．當(dāng)空位周圍原子的熱振動動能超過激活能時(shí)，就可能脫離原來結(jié)點(diǎn)位置而跳躍到空位。正是靠這一機(jī)制．空位發(fā)生不斷的遷移，同時(shí)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(yùn)動。點(diǎn)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(yùn)動，間隙原子也可由一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置空位和間隙原子遷移也會引起點(diǎn)陣畸變，引起能量升高?？瘴换蜷g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(yùn)動，這就是晶體中原子的自擴(kuò)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(diǎn)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(shí)的作用就不能忽略?？瘴坏拇嬖诩捌溥\(yùn)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(shí)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(qiáng)度有所提高、但同時(shí)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(diǎn)缺陷對材料性能的影響原因：無論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位