材料科学基础-第4章晶体缺陷.x.pptx

1 1 理想金属 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 BCC FCC HCP 规则排列 晶体缺陷对晶体的性能、扩散、相变等有重要的影响 2 2 第三章 晶体缺陷Crystal Defects 3 3 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。 纯铁组织 晶粒示意图 4 4 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 5 5 变形金属晶粒尺寸约1~100?m，铸造金属可达几个mm。 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。 6 6 7 7 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。 8 8 3.1 点缺陷 Point defects 指空间三维尺寸都很小的缺陷。 9 9 1. 点缺陷的类型 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 A. 空位 vacancies 空位 晶格中某些缺排原子的空结点 10 10 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 A. 空位 vacancies 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。 11 11 B. 间隙原子 interstitial atoms 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。 晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，则形成间隙原子 12 12 B. 间隙原子 interstitial atoms 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。 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 13 B. 间隙原子 interstitial atoms 14 14 小置换原子 大置换原子 取代原来原子位置的外来原子 C. 置换原子 substitutional atoms 置换原子同样会使周围点阵产生晶格畸变。 15 15 16 16 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。 2. 点缺陷对晶体性能的影响 17 17 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) 18 18 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 19 19 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 20 20 点缺陷的平衡浓度 21 21 平衡时自由能最小