第3节原子的不规则排列-点缺陷.ppt

* §1.3 原子的不规律排列 材料中的缺陷 微观缺陷 气孔，裂纹，夹杂物等 晶体缺陷 晶体缺陷对材料性能影响很大，未必有害！！！ 显微组织缺陷 引 言 一、晶体缺陷的定义 Imperfection or defect 任何偏离原子周期性排列的区域，都称为晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体的性能有很大的影响 二、缺陷的分类 点缺陷 Point defects：零维（zero dimensional） 空位(vacancy)或间隙原子(interstitials) 线缺陷 Linear defects：1维（one dimensional） 位错(dislocation) 面缺陷 Planar defects：2维（two dimensional) 晶界、层错、相界、界面 体缺陷 Bulk/Volume defects：3维（three dimensional) 亚晶粒(subgrains)、亚结构(substructure)、层错四面体(faulted tetrahedron) §1.3.1 点缺陷（Point defects） 一、点缺陷的形成、结构、能量 2.结构：零维的缺陷，如空位、间隙原子、置换原子等； 点缺陷团，如空位片 3.能量：点缺陷周围的点阵畸变，能量升高(点缺陷形成能)。 1.形成：原子的热运动并存在能量起伏 二、点缺陷的类型 1.空位 肖脱基空位：离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。 晶体中只有空位，而没有间隙原子. 弗兰克尔空位：离位原子进入晶体间隙. 晶体中形成空位－间隙原子对. ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ – – – – – – – – 金属晶体 离子晶体 2.间隙原子：位于晶体点阵间的原子 3.置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子 三、点缺陷的平衡浓度（Equilibrium concentration） 在高于0K的任何温度下，晶体中总是存在一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低——具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更加稳定。 点缺陷的平衡浓度 ?Ev－－形成一个缺陷（空位）需要的能量起伏（空位形成能） k－－波耳兹曼常数13.8×10-24J/(原子·K) A－－材料常数，一般取值1 式中， N为晶体中的阵点数，n 为缺陷数 讨论： 点缺陷是一种热力学平衡的缺陷，它是热振动中的能量起伏。在平衡浓度下晶体的Gibbs自由能最低，因而最稳定 T? ? C??，成指数上升 C 表示在晶体中发现一个点缺陷的几率 淬火 Quenching 可以通过淬火实验测定空位的生成焓 冷加工 Cold working 产生空位，位错的割阶、攀移等 辐照 Radiation 高能粒子的轰击 外来作用 四、过饱和点缺陷（Supersaturated point defects） 1.形成 2.过饱和点缺陷的运动 迁移、复合→浓度降低； 迁移、聚集→浓度升高或 塌陷，形成位错环. 五、点缺陷与材料行为 力学性能.常温下，平衡空位在材料变形中的作用可忽略不计，但大量非平衡（过饱和）空位使金属强度有所提高、显著脆化.高温下，平衡空位在材料变形中的作用不可小视——蠕变. 物理性能.如电阻率增大，密度较小，体积收缩或膨胀. 1. 对材料性能的影响 空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散的内部原因，原子（或分子）的扩散是依靠点缺陷的运动而实现的，尤其在高温下。 例如，改变表面成分的化学热处理、成分均匀化处理，退火与正火、时效硬化处理、表面氧化及烧结等过程均与原子的扩散有关。 2. 对材料加工工艺过程的影响 *