材料科学基础

材料科学基础第1页，共37页，2023年，2月20日，星期一在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。第2页，共37页，2023年，2月20日，星期一晶体结构缺陷的类型

按几何形态分类:

1.点缺陷

2.线缺陷

3.面缺陷第3页，共37页，2023年，2月20日，星期一1.点缺陷（零维缺陷）

缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括： 空位（vacancy）、 间隙质点（interstitialparticle）、 杂质质点（foreignparticle）。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、高温动力学过程等有关。第4页，共37页，2023年，2月20日，星期一图2-1晶体中的点缺陷

(a)空位(b)杂质质点(c)间隙质点第5页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，如各种位错（dislocation）。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。第6页，共37页，2023年，2月20日，星期一图4-2

(a)刃位错(b)螺位错

(a)

(b)第7页，共37页，2023年，2月20日，星期一3.面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小，如晶界、相界等。面缺陷的取向及分布与材料断裂韧性有关。

第8页，共37页，2023年，2月20日，星期一图4-3面缺陷－晶界

第9页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.1点缺陷(pointdefects)是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。特征：三个方向尺寸都很小，不超过几个原子间距。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。第10页，共37页，2023年，2月20日，星期一

分类方法分别有按照位置、成分和产生原因等不同角度进行分类，不同分类方法可能产生重叠交叉。

2.1.1点缺陷的类型第11页，共37页，2023年，2月20日，星期一一、按照位置和成分分类

空位

填隙质点

杂质缺陷

第12页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位或空穴第13页，共37页，2023年，2月20日，星期一2、填隙质点：原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子（或离子）或间隙原子（或离子）。从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点，也可以是外来杂质的质点

第14页，共37页，2023年，2月20日，星期一3、杂质缺陷：外来杂质质点进入晶体中就会生成杂质缺陷，从位置上看，它可以进入结点位置，也可以进入间隙位置

第15页，共37页，2023年，2月20日，星期一二、按照缺陷产生原因分类热缺陷杂质缺陷非化学计量结构缺陷

第16页，共37页，2023年，2月20日，星期一1、热缺陷：当晶体的温度高于0K时，由于晶格上质点热振动，使一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷。离开平衡位置的原子有三种去处：a移到晶体表面的正常结点而留下空位：肖特基缺陷（Schottky）

b挤入点阵的间隙位置，晶体中形成数目相等的空位和间隙原子称为弗仑克尔缺陷（Frenkel）C跑到其他晶体缺陷处而使空位消失或使空位移位。第17页，共37页，2023年，2月20日，星期一图2-4热缺陷产生示意图

（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成第18页，共37页，2023年，2月20日，星期一（1）弗仑克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原来位置上形成空位。特点：间隙质点与空位总是成对出现第19页，共37页，2023年，2月20日，星期一（2）肖特基缺陷：如果正常格点上的质点，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正常格点上留下空位。特点：肖特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之类的晶格排列混乱的区域；正离子空位和负离于空位按照分子式同时成对产生；伴随晶体体积增加。第20页，共37页，2023年，2月20日，星期一取代由于外来质点进入晶体而产生的缺陷填隙

杂质掺杂量一般较小(~0.1%），进入晶体后无论位于何处，均因杂质质点和原有的质点性质不同，故它不仅破坏了质点有规则的排列，而且在杂质质点周围的周期势场引起改变，因此形成—种缺陷。2、杂质缺陷：第21页，共37页，2023年，2月20日，星期一晶体中杂质含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度与温度无关，这与热缺陷是不同的。

第22页，共37页，2023年，2月20日，星期一1-大的置换原子

4-复合空位

2-肖脱基空位

5-弗兰克尔空位

3-异类间隙原子

6-小的置换原子第23页，共37页，2023年，2月20日，星期一缺陷产生的能量变化形成空位或间隙原子等点缺陷时，其周围区域的原子偏离平衡位置必然使晶体能量升高，这种由点阵畸变造成的能量增加称为畸变能。形成点缺陷时也将导致电子运动状态发生变化而使晶体能量升高，这种能量增加称为电子能形成一个空位或间隙原子所需提供的能量称为空位形成能或间隙原子形成能。第24页，共37页，2023年，2月20日，星期一平衡点缺陷的浓度(equilibriumpointdefect）晶体中点缺陷的存在造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。点缺陷的产生第25页，共37页，2023年，2月20日，星期一ΔU的变化是线性的,TΔS随着缺陷的增加变化是非线性的，二者的综合作用是使系统的总自由能随着点缺陷的增加先降低，而后又增加。在一定的温度下，晶体中存在一个平衡的热力学点缺陷浓度，在此浓度下，系统最稳定，自由能最低第26页，共37页，2023年，2月20日，星期一点缺陷在T温度时的平衡浓度为：Ce：某一种类型点缺陷的平衡浓度；u：该点缺陷形成能;N：晶体的原子总数；ne：平衡点缺陷数目；A：材料常数，其值常取1;K：玻尔兹曼常数,约为1.38×10-23J/K；(4-1)第27页，共37页，2023年，2月20日，星期一在一般的晶体中间隙原子的形成能较大（约为空位形成能的3-4倍）。因此，在同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度C要比空位的平衡浓度C′低得多。在通常情况下，相对于空位，间隙原子可以忽略不计；但是在高能粒子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺陷，间隙原子数就不能忽略。第28页，共37页，2023年，2月20日，星期一过饱和点缺陷的产生(supersaturatedpointdefect)在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通常它的产生方式有三种:淬火(quenching)冷加工(coldworking)辐照(radiation)第29页，共37页，2023年，2月20日，星期一1.淬火高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度,第30页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.冷加工金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加第31页，共37页，2023年，2月20日，星期一3.辐照当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、α粒子、电子等）辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子第32页，共37页，2023年，2月20日，星期一晶体中的点缺陷处于不断的运动状态．当空位周围原子的热振动动能超过激活能时，就可能脱离原来结点位置而跳跃到空位。正是靠这一机制．空位发生不断的迁移，同时伴随原子的反向迁移。间隙原子也是在晶格的间隙中不断运动。点缺陷的迁移第33页，共37页，2023年，2月20日，星期一由于热运动，间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置空位和间隙原子迁移也会引起点阵畸变，引起能量升高。空位或间隙原子迁移所需要克服的能垒，分别称为空位迁移激活能和间隙原子迁移激活能第34页，共37页，2023年，2月20日，星期一晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与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，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。第35页，共37页，2023年，2月20日，星期一在常温下，平衡浓度的点缺陷对材料力学性能影响并不大，但是在高温下空位的浓度很高，空位在材料变形时的作用就不能忽略。空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因之一。晶体在室温下也可能有大量非平衡空位，如从高温快速冷却时保留的空位，或者经辐照处理后的空位，这些过量空位往往沿—些晶面聚集，形成空位片。或者它们与其他晶体缺陷发生交互作用．因而使材料强度有所提高、但同时也引起显著的脆性。第36页，共37页，2023年，2月20日，星期一点缺陷对材料性能的影响原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结