材料科學(xué)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(xué)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行熱振動原子熱振動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。當溫度一定時，原子熱振動的平均能量是一定的但是各原子在同一瞬間的熱振動能量并不相同，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，稱為“空位”。第三章9其它點缺陷晶體中的點缺陷除了包括空位、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(yīng)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?？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點缺陷的平衡濃度2點缺陷的平衡濃度（1）點缺陷是熱力學(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(xué)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(yīng)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(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(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，通常可以忽略不計。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(fù)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(xué)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