材料科学基础-第4章 晶体缺陷.pptx.pptx

晶体缺陷 defects or imperfectionsBCC规则排列理想金属FCCHCP实际金属材料中，由于原子（分子或离子）的热运动、晶体的形成条件、加工过程、杂质等因素的影响，使得实际晶体中原子的排列不再规则、完整，存在各种偏离理想结构的情况晶体缺陷对晶体的性能、扩散、相变等有重要的影响第三章 晶体缺陷Crystal Defects实际金属材料几乎都是多晶体，即由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体（单晶体）组成，这些小晶体称为晶粒 grains。晶粒示意图纯铁组织单晶体和多晶体的区别单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。单晶体铅锭宏观组织沿晶断口多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成。变形金属晶粒尺寸约1~100?m，铸造金属可达几个mm。飞机发动机的叶片Conventional casting columnar grain single crystal缺陷的分类：根据缺陷的几何特征点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个或几个原子间距，又称零维缺陷。包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、 堆垛层错stacking faults等。3.1 点缺陷Point defects指空间三维尺寸都很小的缺陷。1. 点缺陷的类型A. 空位 vacancies晶体中结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies晶格中某些缺排原子的空结点空位A. 空位 vacancies离开平衡位置的原子:脱位原子一般进入其他空位，或逐渐迁移到晶界或表面，这样的空位称肖脱基（Schottky）缺陷空位空位产生后，其周围原子相互间的作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。B. 间隙原子 interstitial atoms晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，则形成间隙原子挤进晶格间隙中的原子，可以是基体金属原子，也可以是外来原子。间隙原子B. 间隙原子 interstitial atoms原子挤入结点的间隙形成间隙原子，同时原来的结点位置空缺而产生一个空位，通常将这一对点缺陷（间隙原子和空位）称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷空位间隙原子间隙原子同样会使周围点阵产生晶格畸变，而且畸变程度要比空位引起的畸变大的多，因此，形成能大，在晶体中的浓度很低。B. 间隙原子 interstitial atoms同类间隙原子异类间隙原子C. 置换原子 substitutional atoms取代原来原子位置的外来原子大置换原子小置换原子置换原子同样会使周围点阵产生晶格畸变。2. 点缺陷对晶体性能的影响空位间隙原子 置换原子 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。?从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子热运动的内部条件决定的。另外，可通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷。(supersaturated point defects)在一定温度下具有一定的平衡浓度点缺陷的平衡浓度点缺陷的存在的影响造成点阵畸变，?系统内能升高，?降低晶体的热力学稳定性增大原子排列的混乱程度，并改变周围原子的振动频率，?系统组态熵和振动熵升高，?增加晶体的热力学稳定性点缺陷的平衡浓度恒温下，系统的自由能?U:内能; S:总熵值(组态熵Sc+振动熵Sf); T:绝对温度设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为u，当含有n个空位时，其内能增加为ΔU=n*u，组态熵的改变为ΔSc，振动熵的改变为n*ΔSf，自由能的变化为?点缺陷的平衡浓度△ F = △ U –