材料科学基础I__第七章__(晶体缺陷)

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1、第七章晶体缺陷透射电子显微镜下观察到不锈钢316L(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结前面讲的都是理想状态的完整晶体，晶体中没有任何缺陷，晶体中的所有原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而这样的理想晶体在现实中是不存在的，实际晶体中存在着大量的这样那样的缺陷。所以，实际晶体都是非完整晶体。晶体中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。§7-1引言一、晶体缺陷的分类按照晶体缺陷的几何形态可以分为四类：点缺陷(pointdefects)——零维缺陷线缺陷，又称为位错(dislocation)——一维缺陷

2、面缺陷——二维缺陷体缺陷——三维缺陷常见的点缺陷有：空位(vacancy)间隙原子(interstitialatom)置换原子(substitutionalatom)二、晶体缺陷对材料的影响晶体缺陷对晶体材料性能的影响非常大：力学性能：如，强度、硬度、塑性、韧性等；物理性能：如，电阻率、扩散系数等、比容、比热容；化学性能：如，耐蚀性等；冶金性能：如，固态相变等；工艺性能：如，锻造性能、冲压性能、切削性能等。§7-2点缺陷空位是由于该处的原子被激活（即获得了足够的能量），跳离了自己的平衡位置而形成的。空位的形成有

3、时还会造成间隙原子的出现。由于空位的存在，使其周围的原子偏离平衡位置，从而使晶格发生畸变，所以说空位是一种点缺陷。一、空位空位形成过程——动画肖脱基(Schttky)空位：原子离开晶体（蒸发了）留下的空位。弗兰克尔(Frenkel)空位：形成空位和间隙原子对。1、空位的分类形成一个空位所需的能量称为空位形成能，温度越高能够获得空位形成能的原子越多，所以空位的数量也就越多。在平衡状态下，单位体积(1m3)的晶体中含有空位的数量称为空位的平衡浓度。2、空位形成能和空位平衡浓度式中，ΔGv——1mol空位的生成自由能

4、，ΔHv——1mol空位的生成焓，ΔSv——1mol空位的熵增，R——气体常数。例：在不同温度时，铜晶体中空位的平衡浓度（空位数/m3）1m3铜中原子位置总数0℃(273K)250℃(523K)500℃(773K)750℃(1023K)1000℃(1273K)8.0×10282×10121.7×10201.1×10233×10242.2×1025N——原子位置的总数，Qv——1个空位形成能，JT——温度，Kk——玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K(或8.62×10-5eV/K)常用公式：3、过饱和空位形成

5、在一定温度时，晶体具有平衡的空位浓度。当空位浓度超过平衡浓度时，就称为过饱和。淬火：温度升高，平衡浓度增大，急速冷却后，空位来不及消失，被保留下来，形成过饱和空位。冷变形：较低温度下塑性变形，会产生空位，超过此温度时的平衡浓度。辐照：高能粒子（中子、质子、氘核、α-粒子、电子等）照射时，晶体点阵上的原子被击出，进入点阵间隙，留下空位，并形成间隙原子。获得过饱和点缺陷（空位和间隙原子）的方式：二、间隙原子和置换原子间隙原子是指处于晶格间隙中的原子。晶格原子之间的间隙是很小的，一个原子硬挤进去必然使周围原子偏离平衡

6、位置，造成晶格畸变，因此也是一种点缺陷。间隙原子又可分为两种：同类的间隙原子，如前所述，一般是空位形成时产生的，空位浓度越高，则同类间隙原子的浓度也越高。异类间隙原子一般都是半径很小的原子，如钢铁中的碳、氮、硼、氢原子即属此类。尽管这些原子半径很小，但是仍比晶格间隙的尺寸大，所以也会造成晶格畸变。异类间隙原子在一定温度也有一个平衡浓度，称之为固态溶解度，简称“固溶度”。间隙原子的固溶度通常都很小，但是对金属强化却起着极其重要的作用。见§2-3合金相结构/固溶体/间隙固溶体置换原子置换原子是溶入金属晶体并且占据原

7、来基体原子平衡位置的异类原子。由于置换原子的半径和基体原子的半径总有些差异，所以也会使其周围原子偏离平衡位置，造成晶格畸变。置换原子的固溶度一般较大，有些可以互为置换原子，如Cu-Ni合金，Ni在Cu（或Cu在Ni）中的固溶度可以达到100%，即Cu原子和Ni原子可以互相置换。见§2-3合金相结构/固溶体/置换固溶体