晶体缺陷对材料性能的影响.docVIP

晶体缺陷对材料性能的影响 1 引言 很早以前, 金属物理学家在研究金属的加工变形时就发现了晶体缺陷与金属的变形行为及力学性质有密切的关系。后来, 材料科学家发现这类缺陷不仅控制着材料的力学性状, 而且对材料的若干物理性质(如导电性、导热性等) 有直接的影响, 故在冶金物理学和材料科学领域里逐渐发展了晶体缺陷理论。在地学界, 近10多年来人们开始认识到晶体的塑性变形完全取决于晶体缺陷, 即矿物岩石在塑性流动过程中晶体缺陷起着控制性的作用。70年代随着离子减薄技术的应用, 为电子显微镜作为倍数极高的矿物岩相学观察工具提供了先决条件, 也为天然变形矿物晶体缺陷和塑性流动的研究开辟了新的途径。然而, 目前晶体缺陷在地质科学中的应用研究成果还很少, 主要以金属中的为主。众所周知, 晶体是由离子、原子或分子有规律地排列而构成的, 这种晶体称为完整晶体。但是, 在实际晶体中, 晶体质点的规律排列或多或少会在某些微区遭到破坏, 称为晶体缺陷。根据缺陷在晶体中分布的几何特点, 可将其分为3大类, 即点缺陷、线缺陷和面缺陷。如果这些缺陷是在晶体生长过程中产生的, 称为生长缺陷; 如果是在应力作用下晶体发生变形时产生的, 则称为变形晶体缺陷。一般来说, 生长缺陷的密度与形成时的环境有关, 变形引起的晶体缺陷的密度与变形时作用力的大小有密切的关系; 生长缺陷的密度一般比较低, 而变形晶体缺陷的密度较高且普遍存在。 2 晶体缺陷的定义和分类 (1)晶体缺陷的定义 在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。 (2) 晶体缺陷的分类 按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 1.点缺陷（零维缺陷） 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包 括空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 2..线缺陷（一维缺陷） 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。包括螺型位错与刃型位错等各类位错，线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 3.面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。包括晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 4.体缺陷 也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 按缺陷产生的原因分类：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。 热缺陷 热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型有弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect）。热缺陷浓度与温度的关系是随着温度升高时，热缺陷浓度增加。 2.杂质缺陷 亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。 3.非化学计量缺陷 指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。 3．晶体缺陷对材料性能的影响 （1）点缺陷对材料性能的影响 晶体中点缺陷的不断无规则运动和空位与间隙原子不断产生与复合是晶体中许多物理过程如扩散、相变等过程的基础。空位是金属晶体结构中固有的点缺陷，空位会与原子交换位置造成原子的热激活运输，空位的迁移直接影响原子的热运输，从而影响材料的电、热、磁等工程性能。晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体内能升高，增加了晶体热力学不稳定性，另一方面增大了原子排列的混乱程度，改变了周围原子的振动频率。使熵值增大使晶体稳定。矛盾因素使晶体点缺陷在一定温度下有一定平衡数目。在一般情形下，点缺陷主要影响