晶体缺陷上海交大 材料科学基础课件.ppt

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1、晶体结构小结原子结构与原子结合原子结合方式决定了其结构基本概念和分类晶体学基础晶体学基本概念晶向和晶面标定纯金属的晶体结构BCC、FCCandHCPcharacteristics堆垛和间隙合金的晶体结构solidsolutionandintermetalliccompounds基本概念1st1理想金属实际金属材料中，由于原子（分子或离子）的热运动、晶体的形成条件、加工过程、杂质等因素的影响，使得实际晶体中原子的排列不再规则、完整，存在各种偏离理想结构的情况BCCFCCHCP规则排列晶体缺陷defectsorimperfections晶体缺陷对

2、晶体的性能、扩散、相变等有重要的影响2第三章晶体缺陷CrystalDefectsorImperfections3实际金属材料几乎都是多晶体，即由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体（单晶体）组成，这些小晶体称为晶粒grains。纯铁组织晶粒示意图4单晶体和多晶体的区别单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。单晶体5沿晶断口铅锭宏观组织变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几个mm。多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成。6缺

3、陷的分类：根据缺陷的几何特征点缺陷（Pointdefects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。包括空位vacancies、间隙原子interstitialatoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。线缺陷（Lineardefects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错dislocations。面缺陷（Planardefects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维

4、缺陷。包括晶界grainboundaries、相界phaseboundaries、孪晶界twinboundaries、堆垛层错stackingfaults等。73.1点缺陷Pointdefects指空间三维尺寸都很小的缺陷。81.Formationsofpointdefects晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies空位产生后，其周围原子相互间的作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。A.空

5、位vacancies空位晶格中某些缺排原子的空结点9Classificationsofvacancies迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。离开平衡位置的原子:还可以跑到其他空位中，使空位消失或者空位移位。肖脱基（Schottky）缺陷弗兰克尔（Frenkel）缺陷10B.间隙原子interstitialatoms间隙原子挤进晶格间隙中的原子，可以是基体金属原子，也可以是外来原子。间隙原子同样会使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的多，因此，形成能大，在晶体中的浓

6、度很低。11小置换原子大置换原子取代原来原子位置的外来原子C.置换原子substitutionalatoms12点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。点缺陷对晶体性能的影响13由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermalequilibriumdefects），这是晶体内原子热运动的内部条件决定的。另外，可通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated

7、pointdefects)。14点缺陷的存在造成点阵畸变，系统内能升高，降低晶体的热力学稳定性增大原子排列的混乱程度，并改变周围原子的振动频率，系统组态熵和振动熵升高，增加晶体的热力学稳定性Contradictory!!2.点缺陷的平衡浓度在一定温度下具有一定的平衡浓度15恒温下，系统的自由能其中U为内能，S为总熵值（包括组态熵Sc和振动熵Sf），T为绝对温度设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为Ev，当含有n个空位时，其内能增加为ΔU=n*Ev，组态熵的改变为ΔSc，振动熵的改变为n*ΔSf，自由能的变化为点缺陷的平衡浓度16平

8、衡时自由能最小，即对T求导，即则空位在