材料缺陷對材料性能的影響

1、材料缺陷對材料性能的影響女神維納斯因為她的“無臂”之美而廣為人知，但是在日常的生產(chǎn)生活中， 人們更追求的是無誤差的完美。那么究竟缺陷能夠在材料中造成什么影響呢， 在 此我將進行簡單的概述。材料具有多種性能，大致分為兩類，一是使用性能，包括力學性能、物理性 能和化學性能等；二是工藝性能，例如鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性以 及熱處理性等等。在我們生產(chǎn)中經(jīng)常用到的材料，其性能常常因為微觀上小小的 差異而變得迥然不同。我們就理想型的完整晶體進行對于材料缺陷對材料性能的 影響的研究與探索。晶體缺陷：在理想完整晶體中，原子按一定的次序嚴格地處在空間有規(guī)則 的、周期性的格點上。但在實際的晶體中，由于晶

2、體形成條件、原子的熱運動及 其它條件的影響，原子的排列不可能那樣完整和規(guī)則，往往存在偏離了理想晶體 結(jié)構(gòu)的區(qū)域。這些與完整周期性點陣結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體中的缺陷，它破壞了晶體的對稱性。晶體中存在的缺陷種類很多，根據(jù)幾何形狀和涉及的范圍常可分為點缺陷、 面缺陷、線缺陷幾種主要類型。點缺陷：是指三維尺寸都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。主要有空位和 間隙原子在一股情形下，點缺陷主要影響晶體的物理性質(zhì)，如比容、比熱容、電阻率比容的定義：為了在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一個空位，需將該處的原子移到晶體表面 上的新原子位置，這就導致晶體體積增加。比熱容的定義：由于形成點缺陷需向晶體提供附加的能量（空位生成焰）， 因而引

3、起附加比熱容。電阻率：金屆的電阻來源于離子對傳導電子的散射。在完整晶體中，電子基 本上是在均勻電場中運動，而在有缺陷的晶體中，在缺陷區(qū)點陣的周期性被破 壞，電場急劇變化，因而對電子產(chǎn)生強烈散射，導致晶體的電阻率增大。此外，點缺陷還影響其它物理性質(zhì)：如擴散系數(shù)、內(nèi)耗、介電常數(shù)等?！痹趬A 金屆的鹵化物晶體中，由于雜質(zhì)或過多的金屆離子等點缺陷對可見光的選擇性吸 收，會使晶體呈現(xiàn)色彩。這種點缺陷便稱為 色心。在一般情形下，點缺陷對金屆力學性能的影響較小，它只是通過和位錯交互 作用，阻礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照的情形下，由于形成大量 的點缺陷和擠塞子，會引起晶體顯著硬化和脆化。這種現(xiàn)象稱為

4、 輻照硬化。缺陷對物理性能的影響很大，可以極大的影響材料的導熱，電阻，光學，和 機械性能，極大地影響材料的各種性能指標，比如強度，塑性等?；瘜W性能影響 主要集中在材料表面性能上，比如雜質(zhì)原子的缺陷會在大氣環(huán)境下形成原電池模 型，極大地加速材料的腐蝕，另外表面能量也會受到缺陷的極大影響， 表面化學 活性，化學能等等?？傊绊懛浅４?，但是如果合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能， 比如人工在半導體材料中進行摻雜，形成空穴，可以極大地提高半導體材料的性 能。金屆材料的強度與位錯在材料受到外力的情況下如何運動有很大的關(guān)系。如果位錯運動受到的阻礙較小，則材料強度就會較高。實際材料在發(fā)生塑性變形時，

5、 位錯的運動是比較復雜的，位錯之間相互反應、位錯受到阻礙不斷塞積、材料中 的溶質(zhì)原子、第二相等都會阻礙位錯運動，從而使材料出現(xiàn)加工硬化。因此，要 想增加材料的強度就要通過諸如：細化晶粒（晶粒越細小晶界就越多,晶界對位 錯的運動具有很強的阻礙作用）、有序化合金、第二相強化、固溶強化等手段使 金屆的強度增加。以上增加金屆強度的根本原理就是想辦法阻礙位錯的運動。空位是指未被原子所占有的晶格結(jié)點。間隙原子是處在晶格間隙中的多余原 子。點缺陷的出現(xiàn)，使周圍的原子發(fā)生靠攏或撐開，造成晶格畸變。使材料的強 度、硬度和電阻率增加。所以金屆中，點缺陷越多 ，它的強度、硬度越高。除了點缺陷這一經(jīng)常討論的缺陷外，還

6、有一些缺陷也產(chǎn)生了重要的作用。線缺陷：是指三維空間中在二維方向上尺寸較小， 在另一維方面上尺寸較大 的缺陷。屆于這類缺陷主要是位錯。位錯是晶體中的某處有一列或若十列原子發(fā) 生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。面缺陷：是指二維尺寸很大而第三維尺寸很小的缺陷通常是指晶界和業(yè)晶界。晶界：晶粒之間的邊界稱為晶界。業(yè)晶界：業(yè)晶粒之間的邊界叫業(yè)晶界。按缺陷的形成乂可以分為本征缺陷和雜質(zhì)缺陷。本征缺陷一一由晶體本身偏離晶格結(jié)構(gòu)形成的缺陷， 是由丁晶格結(jié)點上的粒 子的熱運動產(chǎn)生的，也稱熱缺陷。如：空位缺陷：晶格結(jié)點缺少了某些原子（或離子）而出現(xiàn)了空位。間充缺陷：在晶格結(jié)點的空隙中，問充有原子（或離子）。錯位缺陷：在晶格

7、結(jié)點上 A類原子占據(jù)了 B類原子所應占據(jù)的位置。非整比缺陷：晶體的組成偏離了定組成定律的非整比性的缺陷。雜質(zhì)缺陷 雜質(zhì)粒子進入晶體形成的缺陷，如雜質(zhì)粒子和間隙粒子缺陷。晶體缺陷一般對晶體的化學性質(zhì)影響較小， 而對晶體的一些物理性質(zhì)如導電 性、磁性、光學性能及機械性能影響很大。工業(yè)上使用的金屆材料絕大多數(shù)都是多晶體。由丁晶格空位和間隙原子的出現(xiàn)，原子間的作用力平衡被破壞，使其周圍的 其它原子發(fā)生移動，偏離晶體的結(jié)點位置，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。以上都為可以影響材料性能的缺陷。在力學性能方面，改變晶體強度可以改變晶體缺陷數(shù)量此圖為晶體強度與晶體缺陷數(shù)量的關(guān)系工業(yè)上提高金屆材料強度晶體強度與晶體缺陷數(shù)量關(guān)系的基本途徑有兩個：