材料科学基础点缺陷

1、1第七讲第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷内容：内容：1.晶体缺陷种类晶体缺陷种类2.点缺陷点缺陷2第三章 晶体结构缺陷第三章案例讨论：工程上大量使用形变加工的方法改善金属材料的强度及其它性能，从材料晶体结构的角度设想其中的原理。3理想晶体和实际晶体理想晶体：即原子或分子在空间呈绝理想晶体：即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。对规则的排列。实际晶体：晶体的某些区域总是存在实际晶体：晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列。原子或分子的不规则排列。晶体缺陷的影响：晶体缺陷对晶体的晶体缺陷的影响：晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化性能和物理化学变化(如强度、塑性、如强度、塑性、扩散、固态相

2、变等扩散、固态相变等)都有着重大影响都有着重大影响第三章4维纳斯维纳斯“无臂无臂”之美更深入人心之美更深入人心 晶体缺陷赋予材料丰富内容晶体缺陷赋予材料丰富内容第三章第三章 晶体结构缺陷5第三章 晶体结构缺陷 原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。有重要作用。晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。点缺陷点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、：在三维空间各方

3、向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。间隙原子、异类原子等。线缺陷线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。大的缺陷。主要是位错。面缺陷面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。第三章6第三章 晶体结构缺陷一一 点缺陷点缺陷1 点缺陷的类型点缺陷的类型（1）空位：）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。肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子

4、进入晶体间隙。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。第三章第一节点缺陷7第三章 晶体结构缺陷一一 点缺陷点缺陷第三章第一节点缺陷(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning8第三章 晶体结构缺陷一一 点缺陷点缺陷肖脱基空位肖脱基空位 弗兰克尔空位弗兰克尔空位第三章第一节点缺陷9点缺陷的形成构成晶体的所有原子总是以其平衡位置为中心构成晶体的所有原子总是以其平衡位置为中心进行热振动进行热振

5、动 原子热振动的平均能量与晶体所原子热振动的平均能量与晶体所处的温度有关，温度越高，平均能量越大。当处的温度有关，温度越高，平均能量越大。当温度一定时，原子热振动的平均能量是一定的温度一定时，原子热振动的平均能量是一定的 但是各原子在同一瞬间的热振动能量并不相同，但是各原子在同一瞬间的热振动能量并不相同，面且同一原子在不同瞬间的能量也不相同，也面且同一原子在不同瞬间的能量也不相同，也就是说各原子的能量总是处于不断起伏变化之就是说各原子的能量总是处于不断起伏变化之中，这种现象称为中，这种现象称为能量起伏能量起伏由于能量起伏，由于能量起伏，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对总有一些原子的能量

6、大到足以克服周围原子对它的束缚，就有可能迁移到别处，这样在原来它的束缚，就有可能迁移到别处，这样在原来的平衡位置上出现的平衡位置上出现空结点空结点，称为，称为“空位空位”。第第三三章章10其它点缺陷晶体中的点缺陷除了包括空位、晶体中的点缺陷除了包括空位、间隙原子、置换原子外，还包括间隙原子、置换原子外，还包括由这些基本点缺陷组成的三维方由这些基本点缺陷组成的三维方向上的尺寸都很小的复杂缺陷，向上的尺寸都很小的复杂缺陷，例如例如空位对空位对或或空位片空位片等等11点缺陷对晶体结构的影响 空位和间隙原子都将使周围原子间作空位和间隙原子都将使周围原子间作用力失去平衡，点阵产生弹性畸变，用力失去平衡，

7、点阵产生弹性畸变，形成应力场，引起晶体内能升高。形成应力场，引起晶体内能升高。点缺陷形成能：点缺陷的引入使得晶点缺陷形成能：点缺陷的引入使得晶体内能升高，这部分增加的能量称为体内能升高，这部分增加的能量称为点缺陷形成能。通常空位引起的晶格点缺陷形成能。通常空位引起的晶格畸变小于间隙原子的晶格畸变，空位畸变小于间隙原子的晶格畸变，空位形成能也小于间隙原子形成能。形成能也小于间隙原子形成能。12点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 （1）点缺陷是热力学平衡的缺陷点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系晶体

8、中总是存在着一定数量的点缺陷（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为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。其结果是在使自由能降低。其结果是在G-nG-n曲线上出现了最低值，对曲线上出现了最低值，对应的应的n n值即为平衡空位数。）值即为平衡空位数。） （2）点缺陷的平衡浓度）点缺陷的平衡浓度 C=Aexp(-Ev/kT)第三章第一节点缺陷13点缺陷

9、平衡浓度公式推导体系自由能：内能增殖：系统熵增殖：组态熵：推导：第第三三章章14斯特令近似：求极值：讨论：1、存在极小值； 2、 时体系自由能最小。平衡浓度公式：影响平衡浓度的因素：1、温度 2、空位形成能 15平衡点缺陷对体系自由能的影响自由能变化：自由能变化：v结论：当晶体中存在平衡浓度的空位时，不但结论：当晶体中存在平衡浓度的空位时，不但不增加晶体的自由能反而可以最大限度地降低其不增加晶体的自由能反而可以最大限度地降低其自由能。因此，空位是热力学稳定的晶体缺陷。自由能。因此，空位是热力学稳定的晶体缺陷。间隙原子平衡浓度：间隙原子平衡浓度：v间隙原子的形成能较大，在相同温度下间隙原间隙原子

10、的形成能较大，在相同温度下间隙原子比空位平衡浓度小得多，通常可以忽略不计。子比空位平衡浓度小得多，通常可以忽略不计。 所以一般情况下，金属晶体的点缺陷主要是指空所以一般情况下，金属晶体的点缺陷主要是指空位。位。 KTEACieexp第第三三章章16点缺陷的运动点缺陷的运动u点缺陷的运动点缺陷的运动（迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷）（迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷）第三章第一节点缺陷17 三、点缺陷的运动和作用 空位运动：空位周围原子的热振动给空位空位运动：空位周围原子的热振动给空位的运动创造了条件，空位就是通过与周围的运动创造了条件，空位就是通过与周围原子不断地换位来实现其运动的。

11、原子不断地换位来实现其运动的。迁移能：空位运动时，必然会引起点阵畸迁移能：空位运动时，必然会引起点阵畸变，因而必须克服能垒，为此所需要的额变，因而必须克服能垒，为此所需要的额外的能量称为迁移能。外的能量称为迁移能。点缺陷运动的实质：点缺陷的运动实际上点缺陷运动的实质：点缺陷的运动实际上是原子迁移的结果，而这种点缺陷的运动是原子迁移的结果，而这种点缺陷的运动所造成的原子迁移正是扩散现象的基础。所造成的原子迁移正是扩散现象的基础。第第三三章章18点缺陷对性能的影响1.点缺陷能使金属的电阻增加；2.体积膨胀，密度减小；3.能加速与扩散有关的相变、化学热处理及高温下的塑性变形和断裂等；4.过饱和点缺陷还可以提高金属的屈服强度。第第三三章章19四、过饱和点缺陷概念：在某些特殊情况下，晶体也可以具有超过平概念：在某些特殊情况下，晶体也可以具有超过平衡浓度的点缺陷，称之为过饱和点缺陷。衡浓度的点缺陷，称之为过饱和点缺陷。几种获