材料科学基础3-1点缺陷

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1、概述晶体缺陷点缺陷线缺陷:位错面缺陷空位间隙原子与杂质原子刃型:螺型:混合型:界面表面堆垛层错晶界亚晶界孪晶界相界bt^btt返回下页∧b前边讨论的大都是理想的晶体结构，在理想的晶体结构中，所有的原子都处于规则的晶体学位置上，也就是平衡位置上。但人们很早就发现在实际晶体中，并不是那麽完整无缺的，原子的排列不可能绝对规则和完整，总是存在着偏离完整性的区域，对此称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将它分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。后退下页（1）点缺陷它在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷，如空位间隙原子和异类原子等。（2）线缺陷亦称一维缺陷，在两个方向上尺

2、寸很小，主要是位错。（3）面缺陷在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界等。后退下页返回第一节点缺陷一．点缺陷类型●空位，间隙原子：肖脱基空位及间隙原子、弗兰克缺陷（图）●空位及间隙原子在热力学上是平衡浓度为：下页上页二、点缺陷的产生1、平衡点缺陷及其浓度点缺陷的类型其中Ce为某一种类型点缺陷的平衡浓度，N为晶体的原子总数，A为材料常数，T－热力学温度，k－玻尔兹蔓常数，u－该类型缺陷的形成能。熵值的增加随缺陷数量的变化是非线性的，（如图4-3）所示少量点缺陷的存在使熵增快速增加，继续增加点缺陷使熵增变化逐渐变缓。ΔU和ΔS这两项相反作用的结果使

3、自由能变化ΔA下页上页的走向如图4-3的中间曲线所示，先随晶体中缺陷数目的增多，自由能逐渐降低，然后又逐渐增高，这样体系中在一定温度下存在着一个平衡的点缺陷浓度，在该浓度下体系的自由能最低。也就是说由热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，晶体中存在这些缺陷使自由能是降低的；相反，如果没有这些却陷，自由能反而升高。下页上页返回Cu晶体的空位形成能uv=0.9ev/atom或1.44*10-19J/atom材料常数A取作1,k=1.38*10-23.计算:1)在５００℃下，每立方米中的空位数目;2)５００℃下的平衡空位浓度。例题解：首先确定1m3体积内原子Cu原子总数（已知Cu

4、的摩尔质量MCu=63.54g/mol,500℃下Cu的密度为８.96*106g/m3）.下页上页1)将N代入，计算空位数目ne下页上页2)计算空位浓度即在５００°C时，每106个原子中才有１.４个空位。下页上页2、过饱和点缺陷的产生有时晶体中点缺陷的数目会明显超过平衡值，这些点缺陷称为过饱和点缺陷。产生过饱和点缺陷的原因有高温淬火、辐照、冷加工等。三、点缺陷及材料行为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）的扩散就是靠点缺陷的运动而实现的。材料加工工艺中不少过程都是以扩散作为基础的，如改变表面下页上页下页上页成分的化学热处理、成分均匀化处理，退火与正

5、火、时效硬化处理、表面氧化及烧结等过程无一不与原子的扩散相联系，如果晶体中没有缺陷，这些工艺将无法进行。点缺陷还可以造成金属物理性能与力学性能的变化。①引起电阻的增加，晶体中存在点缺陷。时破坏了原子排列的规律性，使电子在传导时的散射增加，从而增加了电阻。②空位的存在使晶体的密度下降，体积膨胀。③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。④高温快速冷却时保留的空位，或经辐照处理后空位，这些过量空位往往沿一些晶面聚集，形成空位片，或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。下页上页返回第二节位错的基本概念一．位错概念的引入★19

6、26年Frank计算了理论剪切强度，与实际剪切强度相比，相差３~４个数量级，当时无法解释，此矛盾持续了很长时间。★1934年Taylor在晶体中引入位错概念，将位错与晶体结构、晶体的滑移联系起来解释了这种差异。下页上页★1947年Cottrell发表了溶质原子与位错间交互作用的研究报告。★1950年FrankandReed同时提出了位错萌生机制。★1957年　公布了世界上第一张位错照片。★今天，位错理论已经成为塑性变形及强化的理论基础★1939年Burgers提出柏氏矢量b以表征位错的特征，阐述了位错弹性应力场理论。下页上页二．位错类型刃型位错原子模型刃型位错的局部滑移晶体

7、的局部滑移螺型位错的原子组态晶体的局部滑移混合型位错的原子组态b^b刃型位错混合型位错：螺型位错下页上页ττbτ∧螺型位错与刃型位错的区别（1）螺型位错中不存在多余半原子面，而是垂直于位错线的原子平面发生了螺旋状的扭曲。（2）螺位错线的b与其位错线相平行，而刃位错线的b与其位错线相互垂直，这是区别螺位错与刃位的主要依据。（3）螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错，与正负刃位错不同，左右螺型位错是不能相互转化的，不管从哪个。下页上页（4）螺位错与刃位错的滑移运动有一个重要的差别，即刃位错有确定的滑移面（1）它们都是线