材料的结构缺陷PPT资料.ppt

1、周期性规则排列。沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几个铸造金属可达几个mm。多晶体：在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，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可看成由许多可看成由许多可看成由许多

2、取向不同的小单晶体取向不同的小单晶体取向不同的小单晶体取向不同的小单晶体（晶粒）组成。（晶粒）组成。实实实实际际际际金金金金属属属属材材材材料料料料几几几几乎乎乎乎都都都都是是是是多多多多晶晶晶晶体体体体（MulticrystalMulticrystal），即即即即由由由由许许许许多多多多彼彼彼彼此此此此位位位位向向向向不不不不同同同同、外外外外形形形形不不不不规规规规则则则则的的的的小小小小晶晶晶晶体体体体（单单单单晶晶晶晶体体体体,Single CrystalSingle Crystal）组成，这些小晶体称为组成，这些小晶体称为组成，这些小晶体称为组成，这些小晶体称为晶粒晶粒晶粒晶粒 （G

3、rain）（Grain）。纯铁组织纯铁组织晶晶粒粒示示意意图图材料缺陷的分类：（材料缺陷的分类：（按几何形象特征按几何形象特征）点点缺缺陷陷（Pointdefect）：最最简简单单的的晶晶体体缺缺陷陷，在在结结点点上上或或邻邻近近的的微微观观区区域域内内偏偏离离晶晶体体结结构构的的正正常常排排列列。在在空空间间三三维维方方向向上上的的尺尺寸寸都都很很小小，约约为一个、几个原子间距，又称为一个、几个原子间距，又称零维缺陷零维缺陷。包包括括空空位位（Vacancy）、间间隙隙原原子子（Interstitialatom）、杂杂质质（Impurity）、溶溶质原子原子（Soluteatom）等。等。线

4、线缺缺陷陷（Lineardefect）：在在一一个个方方向向上上的的缺缺陷陷扩展展很很大大（尺尺寸寸很很大大），其它两个方向上尺寸很小，也称，其它两个方向上尺寸很小，也称为一一维缺陷缺陷。主要主要为位错位错（Dislocation）。面面缺缺陷陷（Planardefect）：在在两两个个方方向向上上的的缺缺陷陷扩扩展展很很大大，其其它它一一个个方向上尺寸很小，也称为方向上尺寸很小，也称为二维缺陷二维缺陷。包包 括括 晶晶 界界（Grain boundary）、相相 界界（Phase boundary）、孪孪 晶晶 界界（Twinboundary）、堆垛层错堆垛层错（Stackingfault）

5、等。4.1 4.1 空位的形成与平衡浓度空位的形成与平衡浓度 晶晶体体中中点点阵阵结结点点上上的的原原子子以以其其平平衡衡位位置置为为中中心心作作热热振振动动，当当某某些些原原子子振振动动能能量量起起伏伏高高于于势势垒垒时时，将将克克服服周周围围原原子子的的制制约约而而跳跳离离平平衡衡位位置置，使使得得点阵中形成空结点，称为点阵中形成空结点，称为空位。空位。空空位位产产生生后后，其其周周围围原原子子相相互互间间的的作作用用力力失失去去平平衡衡，因因而而它它们们朝朝空空位位方方向向稍稍有有移移动动，形形成成一一个个涉涉及及几几个个原原子子间间距距范范围围的的弹弹性性畸变区畸变区，即，即晶格畸变晶

6、格畸变。A.A.空位空位 （Vacancy）（Vacancy）空位空位晶格中某些缺排晶格中某些缺排原子的空结点原子的空结点空位的分类空位的分类（Classifications of vacancies）（a）迁迁移移到到晶晶体体外外表表面面或或内内界界面面（如如晶晶界界处处）的的正正常常结结点点位位置置，使晶体内部留下空位。使晶体内部留下空位。（b）跳跳入入间间隙隙位位置置，在在晶晶体体中中形形成成数数目目相相等等的的空空位位和和间间隙隙原原子子。弗弗兰兰克克尔尔（Frenkel）缺陷缺陷离开平衡位置的离位原子离开平衡位置的离位原子:（c）还还可可以以跑跑到到其其他他空空位位中中，使使空空位位

7、消消失失或者空位移位。或者空位移位。肖脱基（肖脱基（Schottky）缺陷缺陷B.B.间隙原子间隙原子 （Interstitialatom）间隙原子间隙原子 挤挤进进晶晶格格间间隙隙中中的的原原子子，可可以以是是基基体体金金属属原原子子，也也可以是外来原子。可以是外来原子。间间隙隙原原子子同同样样会会使使周周围围点点阵阵产产生生弹弹性性畸畸变变，而而且且畸畸变变程程度度要要比比空空位位引引起起的的畸畸变变大大的的多多，因因此此，形形成成能能大大，在在晶晶体体中中的的浓浓度很低度很低。小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子 取代原来原子位置取代原来原子位置的外来原子的外来原子C.置换原子置换原

8、子（Substitutionalatom）点缺陷的存在：点缺陷的存在：（a）造成点阵畸变造成点阵畸变 系统内能升高系统内能升高 降低晶体的热力学降低晶体的热力学稳定性稳定性。（b）增大原子排列的混乱程度，并改变周围原子的振动增大原子排列的混乱程度，并改变周围原子的振动频率频率 系统系统组态熵和振动熵组态熵和振动熵升高升高 增加晶体的热力学增加晶体的热力学稳定性稳定性在一定温度下具有一定的平衡浓度在一定温度下具有一定的平衡浓度没有任何缺陷的完整晶体在热力学上是最稳定的么？没有任何缺陷的完整晶体在热力学上是最稳定的么？设在设在1个含有个含有N个阵点的晶体点阵中引进个阵点的晶体点阵中引进n个空位，则

9、体个空位，则体系的自由能变化为系的自由能变化为 令令：形形成成一一个个空空位位所所需需能能量量为为Ev，当当含含有有n个个空空位位时时，其其内内能能增增加加为为E=nEv，振振动动熵熵的的改改变变为为nSv，体体系系结结构构熵熵（或或称称组组态态熵熵、排排列列熵熵）的的改改变变为为Sc，则则自自由由能能的的变变化化为为4.1.1 空位的平衡浓度空位的平衡浓度结构熵（组态熵）结构熵（组态熵）几个空位在点几个空位在点阵中可以有中可以有许多种不同的几何排列方式，多种不同的几何排列方式，Sc可可由由S=kln确确定定。为构构成成某某种种宏宏观状状态中中微微观可可以以存存在在的的组态数目。数目。在在N个

10、点个点阵上，上，n个空位的引入，可能的原子排列方式有个空位的引入，可能的原子排列方式有Wn个：个：在在N个个阵点的晶体系点的晶体系统中，有中，有n个空位，其个空位，其结构构熵变Sc=S（n个空位个空位）-S（0个空位个空位）=klnn-kln0=klnn，n=Wn N和和n的值非常大，用斯特林近似的值非常大，用斯特林近似得：得：可可得得Sc0，表表明明，增增加加空空位位过过程程，结结构构熵熵增增加加，有有利利于于过程进行。过程进行。为什么？振振动熵据据统计力力学学，增增加加1个个空空位位所所引引起起的的周周围原原子子振振动熵的的改改变值的近似式的近似式为为空空位位周周围的的原原子子的的最最终频

11、率率，为为这这些些原原子子的的初初始始频频率率。空空位位有有增增加加其其周周围围原原子子的的振振动动振振幅幅和和减减少少振振动动频频率率的的趋趋势势。故故/1，S0，表表明明，增增加加空空位位过过程程，振振动动熵熵增增加加，亦亦有有利利于于过程进行。实验研究表明，对不同材料的各种晶体结构实验研究表明，对不同材料的各种晶体结构S值值相差不大。相差不大。据据G=nE-T（nS+Sc）绘图ne平衡平衡时自由能最小，求自由能最小，求导，即，即则空位在则空位在T温度时的空位平衡浓度温度时的空位平衡浓度C为：为：其中，其中，k为波波尔尔兹曼常数（曼常数（1.38x10-23J/K或或8.62x10-5eV

12、/K）类似地，间隙原子平衡浓度类似地，间隙原子平衡浓度C：G G一些常见金属一些常见金属一些常见金属一些常见金属的的的的熔点和熔点和熔点和熔点和空位形成能空位形成能空位形成能空位形成能（EEV V/eV/eV）金属金属WWFeFeNiNiCuCuAgAgMgMgAlAlPbPbSnSn熔点熔点。C C34103410153515351452145210831083962962650650660660327327232232EEV V/eV/eV2.202.201.501.501.401.401.151.151.101.100.890.890.760.760.600.600.500.50金属熔点

13、越高，空位形成能越大，空位数金属熔点越高，空位形成能越大，空位数金属熔点越高，空位形成能越大，空位数金属熔点越高，空位形成能越大，空位数越少越少越少越少 一一般般地地，晶晶体体中中间间隙隙原原子子的的形形成成能能比比空空位位的的形形成成能能大大3-4倍倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。，间隙原子的量与空位相比可以忽略。例如：Cu的的空空位位形形成成能能为1.710-19J，间隙隙原原子子的的形形成成能能为4.810-19J，A取取1。在在1273K时，空空位位的的平平衡衡浓度度C10-4，间隙原子的隙原子的C10-14，C/C1010。所以所以间隙原子可忽略不隙原子可忽略不计。形成形成1个空

14、位的形成能个空位的形成能1eV形成形成1mol空位的形成能空位的形成能约100kJ/mol由由于于热热振振动动中中的的能能量量起起伏伏促促使使原原子子脱脱离离点点阵阵位位置置而形成的点缺陷。而形成的点缺陷。这是晶体内原子热运动的这是晶体内原子热运动的内部条件内部条件决定的。决定的。改改变变外外部部条条件件形形成成的的点点缺缺陷陷，包包括括高高温温淬淬火火、冷冷变变形形加加工工、高高能能粒粒子子辐辐照照等等，这这时时的的点点缺缺陷陷浓浓度度超超过过了平衡浓度，称为了平衡浓度，称为过饱和点缺陷过饱和点缺陷。平衡点缺陷平衡点缺陷（Thermalequilibriumpointdefect）过饱和点缺

15、陷过饱和点缺陷（Supersaturatedpointdefect）点缺陷的产生点缺陷的产生点缺陷的运动产生的影响：点缺陷的运动产生的影响：晶晶体体中中的的原原子子正正是是由由于于空空位位和和间间隙隙原原子子不不断断的的产产生生和和复复合合，才才不不停停地地由由一一处处向向另另一一处处作作无无规规则则的的布布朗朗运运动动，这这就就是是晶晶体体中中原原子子的的自自扩扩散散。它它是是固固态态相相变变、表表面面化化学学热热处处理理、蠕蠕变变、烧烧结结的基础。的基础。晶晶体体结结构构的的变变化化：晶晶格格畸畸变变（如如空空位位引引起起晶晶格格收收缩缩，间间隙隙原原子子引起晶格引起晶格膨胀膨胀，置换置换原子可引起原子可引起收缩或膨胀收缩或膨胀。）。）晶体性能的变化：晶体性能的变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小）物理性能（如电阻率增大，密度减小）力学性能（屈服强度提高）力学性能（屈服强度提高）原子自扩散激活能相当于空位形成能与迁移能的总和。原子自扩散激活能相当于空位形成能与迁移能的总和。4.1.2 空位的力学行为空位的力学行为空位迁移能空位迁移能Em4.2 位错位错 Dislocation 线缺陷线缺陷各种类型