材料科学基础(第三章)新

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1、材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience课程编号：主讲：材料与冶金学院：卫广智电话：13595068236材料学院材料学院第3章晶体缺陷3.1点缺陷引言晶体点阵中的完整性只是一个理论上的概念，自然界存在的晶体总是不完整的。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和冷、热加工过程和辐射、杂质等因素的影响，晶体点阵中的原子（或离子、分子）的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离完整结构的区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。对于晶体结构

2、而言，规则的完整排列是主要的，而非完整性是次要的，但对于晶体的许多性能特别是力学性能而言，起主要作用的却是晶体的非完整性，即晶体缺陷扮演主角，晶体的完整性只占次要的地位。材料学院根据晶体缺陷的几何特征，可以将它们分为三类；（1）点缺陷：其特征是在三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，例如空位、间隙原子、杂质或溶质原子等；（2）线缺陷：其特征是在空间两个方向上尺寸都很小，另外一个方向上的尺寸相对很长，故也称一维缺陷，如位错。（3）面缺陷：其特征是在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上

3、的尺寸很大，故也称二维缺陷，如晶界、相界、挛晶界和堆垛层错等。在晶体中，这三类缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断变动，它们相互联系，相互制约，在一定条件下还能相互转化，从而对晶体性能产生复杂的影响。下面就分别讨论这三类缺陷的产生材料学院和发展、运动方式、交互作用以及与晶体的组织和性能有关的主要问题。3.1点缺陷晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及由它们组成的复杂缺陷（如空位对、空位团和空位—溶质原子对等）。这里主要讨论空位和间隙原子。1．点缺陷的形成在金属晶体中位于点阵结点上的

4、原子并非静止的，而是以各自的平衡位置为中心不停地作热振动。原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的振动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些；而另一些原子的能量可能低些，其振幅就要小些。对一个原子来说，这材料学院一瞬间能量可能高些，另一瞬间能量可能反而低些，这种现象叫能量起伏。根据统计规律，在某一温度的某一瞬间总有一些原子的热振动能量高到足以克服周围原子的束缚时，它们便有可能离开原来的平衡位置而跳到一个新的位置上，并在原来的位置平衡上留下空位。离位原子大致有三个

5、去处：一是迁移到晶体表面或晶界，这样所形成的空位叫肖脱基（Schottky）空位，如图3-1（a）所示；二是迁移到晶体间隙中，所形成的空位叫弗仑克尔（Frenkel）空位，与此同时，还形成了相同数量的间隙原子，如图3-1（b）所示；三是迁移到其它空位处，造成空位迁移，但不增加空位的数目。在一定条件下，晶体表面的原子也可能迁移到晶体内部的间隙位置，成为间隙原子，如图3-1（c）所示。材料学院（a）（b）（c）图3-1晶体中的点缺陷（a）肖脱基空位；（b）弗仑克尔空位；（c）间隙原子点缺陷的存在会造成点阵畸变，内能升高，降低热

6、力学稳定性，但点缺陷引起的畸变（不完整性）仅局限在几个原子壳范围内。材料学院图3-2离子晶体二维平面上所表示的两种空位类型由于空位的存在，其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们会朝空位方向稍有移动，材料学院偏离其平衡位置，在空位的周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，简称为晶格畸变。处于间隙位置的间隙原子，同样会使其周围点阵产生弹性畸变，而且畸变程度要比空位引起的畸变大得多，因此，它的形成能大，在晶体中的浓度一般低得多。点缺陷对金属的性能有一定的影响，使金属的电阻升高，体积膨胀，密度减小，另

7、外，过饱和点缺陷（如淬火空位、辐射缺陷）可提高金属的屈服极限。2．点缺陷的平衡浓度点缺陷（空位、间隙原子等）的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体了晶体的热力学稳定性；另一方面增大了原子排列的混乱程度，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使晶体中的点缺材料学院陷在一定温度下有一定的平衡浓度。因此，点缺陷是热力学稳定缺陷。根据热力学理论可推导出点缺陷的平衡浓度。现以空位为例，计算如下：由热力学原理可知，在恒温下系统的自由能F为F=U-TS(3-1)式中U为内能，S为总熵值，T为绝对温度。设晶体中有N

8、个原子位置，平衡时晶体中空位数为n个，原子数为（N-n）个，假设一个空位所需的能量为，则晶体中含有n个空位时其内能将增加ΔU=，而n个空位造成晶体中的排列有许多不同组态而引起的组态熵为，空位改变它周围的原子的振动而引起的振动熵为，则系统自由能的改变为材料学院(3-2)根据统计热力学，组态熵可表示为：(3