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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Fundamentals of Materials Science,材料科学基础,第三章 晶体缺陷,第 三 章 晶 体 缺 陷,1,本章要求掌握的主要内容,一.需掌握的概念和术语,1、点缺陷、,Schottky,空位、,Frankel,空位、间隙原子、置换原子,2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积；位错应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错,3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界,4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解,5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型,2,二.本章重点及难点,1、,点缺陷的平衡浓度公式,2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征，,3、位错源、位错的增殖(,F-R,源、双交滑移机制等)和运动、交割,4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解,5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型,3,概 述,前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到,玉米棒上玉米粒,的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为,晶体缺陷,(crystal defect, crystalline imperfection),。,位错实验观测,(,dislocation.mpg,),图为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,4,完整不一定精彩 缺憾也是一种美,!,5,晶体缺陷（,Crystal defect）,通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。,晶体缺陷对于晶体结构来说规则完整排列是主要的,而非完整性是次要的；对一些对结构敏感的性能来说，起主要作用的是晶体的不完整性,而完整性是次要的；一些相变、扩散变形等都与晶体缺陷有关。,晶体缺陷分类及特征：,1点缺陷（,point defect）,：,特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度,，,又称零维缺陷,，,包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。,2线缺陷（,line defect）,：,特征是在两个方向上尺寸很小,另外一个方面上很大，又称一维缺陷,，,如各类位错。,3面缺陷（,planar defect）,：,特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。,4,体缺陷,:,如果晶体内部质点排列的规律性在三维空间一定的尺度范围内遭到破坏，就称为体缺陷，例如亚结构（嵌镶块）、沉淀相、层错四面体、晶粒内的气孔和第二相夹杂物等，三维缺陷。,6,3.1 点 缺 陷,3.1.1,点缺陷的形成及类型,点缺陷（,point defect,）,是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个或几个原子尺度。,由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留下了原子空位，即空位就是未被占据的原子位置。,离开平衡位置的原子有三个去处:,(1),形成,Schottky,空位：,迁移到表面或内表面留下的空位。,(2),形成,Frankely,缺陷：,挤入点阵间隙而形成的空位，并出现间隙原子。,(3)跑到其它空位上使空位消失或移位。,点缺陷的类型有哪些？,7,点缺陷的类型,：,(1),置换原子(,substitutional atom,),：,占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子,。,(2),空位,(,vacancy,),：,未被占据的原子位置,。,(3),间隙原子,(,interstital atom,）,异类间隙原子：原子半径很小的外来原子，,外来杂质原子。,自间隙原子,(,self-interstital atom,),(,同类,),：形成佛兰克尔空位时出现的间隙原子,。,8,高分子晶体中的点缺陷,：,（,1,）分子链上的异常键结合；（,2,）分子链位置发生交换；（,3,）分子链向相对方向折叠。,离子晶体中的点缺陷,：,（,1,）,Schottky,缺陷：一个正负离子空位对。（,2,）,Frenkel,缺陷：一个空位间隙离子对。,离子晶体点缺陷类型,9,3.1.2 点缺陷的平衡浓度,空位形成,时系统自由能的变化：,F=U-TS,内能,(Internal energy),变化,U,。,n,个内能为,u,的点缺陷使系统内能增加总量为,:,U,nEv,空位形成能(,vacancy formation energy):,形成一个空位时引起系统能量的增加，记为,Ev,TS,与组态熵变化有关：点缺陷的存在使体系混乱程度增大，大大增加了系统的熵值。,通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度(,equilibrium consistence)。,经热力学推导：,C = n/N = exp(S,f,/k)exp(Ev/kT),= Aexp(Ev/kT),C,与,T、Ev,之间呈指数关系,(,下页表）。,T,上升、,C,升高,。,10,Ev,对,C,的影响,金属种类,Pb,Al,Mg,Au,Cu,Pt,W,Ev,10,-8,J,0.08,0.12,0.14,0.15,0.17,0.24,0.56,C,9.2 10,-6,2.8 10,-8,1.5 10,-9,3.6 10,-10,2.0 10,-11,7.8 10,-16,5.7 10,-36,11,12,13,3.1.3,点缺陷的运动,点缺陷的运动方式,:,(1) 空位运动,;,空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础。,(2),间隙原子迁移,;,(3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失，称为,点缺陷的复合,;,(4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失,。,14,3.1.4,点缺陷对结构和性能的影响,点缺陷引起,晶格畸变,(distortion of lattice),能量升高，结构不稳定，易发生转变。,点缺陷的存在会引起性能的变化：,(1)物理性质、如,R、V、,等；,(2)力学性能：采用,高温急冷,(如淬火,quenching),大量的冷变形,(cold working),高能粒子辐照,(radiation),等方法可获得过饱和点缺陷，如使,S,提高；,(3)影响固态相变,化学热处理,(chemical heat treatment),等,。,15,本节小节,空位的类型,空位的平衡浓度及其公式,下一节,16,
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