[理学]材料科学基础课件第二章-1.pdf

第二章晶体缺陷 主讲教师：任慧平（教授） 助课教师：计云萍（副教授） 内蒙古科技大学材料与冶金学院 引言： 完整晶体：原子规则地存在于应在的位置上。 晶体缺陷：实际晶体中偏离理想结构的区域。 晶体缺陷分类（按几何特征分）： 点缺陷（零维缺陷），在三维空间的各个方向上尺 寸都很小的缺陷。如：空位、间隙原子、杂质、溶 质原子等。 线缺陷（一维缺陷），在一个方向上尺寸较大，另 两个方向上尺寸较小。如：位错。 面缺陷（二维缺陷），在两个方向上尺寸较大，在 另一个方向上尺寸较小。如：晶体表面、晶界、相 界、孪晶界、堆垛层错等。 研究缺陷的产生、运动、交互作用及转化， 具有重要的理论和实际意义。 第一节 点缺陷 主要内容 点缺陷的形成 点缺陷的平衡浓度 点缺陷的运动 点缺陷对金属性能的影响 一.点缺陷的形成 1.点缺陷： 点缺陷是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体 结构正常排列的一种缺陷。 2.点缺陷包括 自间隙原子（挤入正常点阵之间的间隙中的原子） 间隙式溶质原子 置换式溶质原子 空位（肖脱基空位、弗兰克空位） 3.点缺陷的形成 晶体点阵中的原子以其平衡结点为中心不停地进行 热振动。随温度升高，振幅增大，振动频率也增大。 晶体内原子的热振动能量不相同，存在能量起伏。 某些原子振动的能量高到足以克服周围原子的束缚 时，它们将有可能脱离原来的平衡位置，迁移到一 个新的位置，在原来的平衡位置上留下空位。 温度越高，原子脱位的几率越大。 离位原子的去处： 离位原子迁移至表面或晶界时形成的空位—— 肖脱 基空位； 离位原子迁移至点阵间隙处所形成的空位——弗兰 克空位； 离位原子迁移其它空位中，使空位发生移位，不增 加空位数目。 （a ）单质中的肖脱基缺陷的形成 （b）单质中弗兰克缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现） 4.点缺陷导致一定范围内弹性畸变和能量增加 5.空位和间隙原子的形成与温度密切相关： 随温度升高，点缺陷数目增加，称为热缺陷。 6.高温淬火、冷变形加工、高能粒子轰击也可 产生点缺陷 （点缺陷并非都通过原子的热 振动产生）。 二.点缺陷的平衡浓度 点缺陷造成 点阵畸变，晶体内能增加，晶体不稳定； 原子排列混乱程度增加，改变周围原子振动频率， 晶体熵增加，晶体稳定。 点缺陷的平衡浓度 由于存在以上两个互为矛盾的因素，所以，晶体中 的点缺陷在一定温度下有一定的平衡浓度，可以根 据热力学理论求得： 设由N个原子组成的晶体中，含有n个空位，形成 一个空位所需要的能量为△Ev ，则n个空位使内能 增加为△U=n △Ev 。n个空位将引起的总熵变为 △S=n △S + △S 。自有能的变化为： f c △F=n△Ev-T(n△Sf+△Sc) T温度的平衡条件：自由 能有极小值（ne处出现极 小值，代表平衡态，即空 位平衡浓度）。 空位在T温度上的平衡浓度为： 式中：A=exp (△S /k)，是由振动熵△S 决定的 f f 系数，一般在1～10之间。 应用类似方法也可导出间隙原子平衡浓度的表达 式，即： 式中：N’--间隙位置总数；n’--间隙原子数；△Ev ’--间隙 原子形成能；△Sf ’--间隙原子引起的振动熵变。由于间隙 原子形成能比空位形成能大，所以间隙原子的平衡浓度比空 位的平衡浓度低的多。 可见： （1）晶体中的空位是热力学上的稳定缺陷，对应 于一定温度，有一定的空位平衡浓度，温度过高或过 低均不稳定。 （2）空位浓度与温度之间呈指数关系，随温度的 升高，空位浓度急剧增大。 （3）空位形成能越大，空位浓度越小。