材料科学与工程第三章 晶体缺陷1课件.ppt

晶体结构小结;晶体缺陷赋予材料丰富内容;理想金属;第三章 晶体缺陷Crystal Defects or Imperfections;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。;单晶体和多晶体的区别;沿晶断口;缺陷的分类：根据缺陷的几何特征;3.1 点缺陷 Point defects;1. Formations of point defects;Classifications of vacancies;B. 间隙原子 interstitial atoms;小置换原子;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。;点缺陷的存在; 根据热力学原理，恒温下，系统的自由能 式中U为内能，S为总熵值（包括组态熵 Sc和振动熵Sf ），T为绝对温度 设一完整晶体中总共有N个同类原子排列在N个阵点上。若将其中n个原子从晶体内部移至晶体表面，则可形成n个肖特基空位，假定空位的形成能为Ev，则晶体内能将增加 另一方面，空位形成后，由于晶体比原来增加了n个空位，因此晶体的组态熵（混合熵）增大。 根据统计热力学原理，组态熵可表示为： 其中k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K), W为微观状态数：;由于Nn1，可用斯特林(Stirling)近似公式lnx!=xlnx-x　(x1时)将上式简化：;可得空位平衡浓度：; 其中， ，由振动熵决定，一般估计A在1-10之间。如果将上式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数NA： 式中Qf = NAEv 为形成1mol空位所需作的功，单位J/mol，R为气体常数。 按照类似的方法，也可求得间隙原子的平衡浓度：; 恒温下，系统的自由能 ? 其中U为内能，S为总熵值（包括组态熵Sc和振动熵Sf），T为绝对温度 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Ev，当含有n个空位时，其内能增加为ΔU=n*Ev，组态熵的改变为ΔSc，振动熵的改变为n*ΔSf，自由能的变化为;平衡时自由能最小，即对T求导，即 则空位在T温度时的空位平衡浓度C为： ? 其中， k为波尔兹曼常数（1.38x10-23 J/K或8.62x10-5 eV/K) 类似地，间隙原子平衡浓度C’ ： ? ;例题1;在Fe中形成1mol空位的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至 850℃时空位数目增加多少倍？;一般，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。 例如， Cu的空位形成能为1.7*10-19J，间隙原子的形成能为4.8*10-19J，在1273K时，空位的平衡浓度C~10-4，间隙原子的C’~10-14， C/C’ ~ 1010。所以间隙原子可忽略不计。 1eV~100 kJ/mol;3. 点缺陷的运动; 点缺陷的运动产生的影响： 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生和复合，才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结的基础。 晶体性能的变化：体积、光学、磁性、导电性等改变。 如体积膨胀、密度降低等;3.2 线缺陷 Linear defects;位错 Dislocations;位错（Dislocation）理论的发展;理论切变强度与实际切变强度间的巨大差异： 从根本上否定理想完整晶体的刚性相对滑移的假设，即实际晶体是不完整的，而有缺陷的。 滑移也不是刚性的，而是从晶体中局部薄弱地区(即缺陷处)开始，而逐步进行的。 ;3.2.1. 位错的基本类型和特征;A. 刃型位错 edge dislocation;刃型位错的特点：;C. 滑移面是同时包括位错线和滑移矢量的平面，刃型位错的位错线和滑移矢量互相垂直，一个刃型位错所构成的滑移面只有一个； D. 位错的存在使得位错周围的点阵发生弹性畸变，即有切应变，又有正应变。对正刃型位错而言，位错线上、下部临近范围内原子受到压应力、拉应力, 离位错线较远处原子排列恢复正常。 E. 在位错线周围的畸变区内，每个原子具有较大的平均能量。这个区域只有几个原子间距宽，是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。;电子显微镜下的位错;点缺陷;刃型位错的特点：;B. 螺型位错 screw dislo