材料科学基础I 第七章 (晶体缺陷)

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第七章 晶体缺陷

透射电子显微镜下观察到不锈钢316L 透射电子显微镜下观察到不锈钢 (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结 的位错线与位错缠结

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§7-1 引言前面讲的都是理想状态的完整晶体，晶体中没有任何缺陷， 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。 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， 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。 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 晶体缺陷。 晶体中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。

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： 按照晶体缺陷的几何形态可以分为四类： 点缺陷(point defects)——零维缺陷 点缺陷 零维缺陷 线缺陷，又称为位错 位错( 线缺陷，又称为位错(dislocation)——一维缺陷 ) 一维缺陷 面缺陷——二维缺陷 面缺陷 二维缺陷 体缺陷——三维缺陷 体缺陷 三维缺陷

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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： 晶体缺陷对晶体材料性能的影响非常大： 力学性能： 强度、硬度、塑性、韧性等； 力学性能：如，强度、硬度、塑性、韧性等； 物理性能： 电阻率、扩散系数等、比容、比热容； 物理性能：如，电阻率、扩散系数等、比容、比热容； 化学性能： 耐蚀性等； 化学性能：如，耐蚀性等； 冶金性能： 固态相变等； 冶金性能：如，固态相变等； 工艺性能： 锻造性能、冲压性能、切削性能等。 工艺性能：如，锻造性能、冲压性能、切削性能等。

§7-2 点缺陷常见的点缺陷有： 常见的点缺陷有： 空位(vacancy) 空位 间隙原子(interstitial atom) 间隙原子 置换原子(substitutional atom) 置换原子

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一、空位空位是由于该处的原子被激活(即获得了足够的能量), 空位是由于该处的原子被激活(即获得了足够的能量), 是由于该处的原子被激活 跳离了自己的平衡位置而形成的。 跳离了自己的平衡位置而形成的。空位的形成有时还会造成 间隙原子的出现。由于空位的存在， 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。 使晶格发生畸变， 衡位置，从而使晶格发生畸变，所以说空位是一种点缺陷。 空位形成过程——动画 空位形成过程 动画

1、空位的分类 、肖脱基(Schttky)空位：原子离开晶体

(蒸发了)留下的空位。 空位：原子离开晶体(蒸发了)留下的空位。 肖脱基 空位 弗兰克尔(Frenkel)空位：形成空位和间隙原子对。 空位： 弗兰克尔 空位 形成空位和间隙原子对。

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2、空位形成能和空位平衡浓度 、形成一个空位所需的能量称为空位形成能， 形成一个空位所需的能量称为空位形成能，温度越高能够 空位形成能 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 获得空位形成能的原子越多，所以空位的数量也就越多。 衡状态下，单位体积( 的晶体中含有空位的数量称为空位 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。 的平衡浓度。

Gv Cv = exp( ) RT

式中， 式中， Gv = H v T Sv Gv——1mol空位的生成自由能， 空位的生成自由能， 空位的生成自由能 Hv——1mol空位的生成焓， 空位的生成焓， 空位的生成焓 Sv——1mol空位的熵增， 空位的熵增， 空位的熵增 R ——气体常数。 气体常数。 气体常数

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常用公式： 常用公式：

Qv Nv= N exp( ) kTN ——原子位置的总数， 原子位置的总数， 原子位置的总数 Qv——1个空位形成能，J 个空位形成能， T ——温度，K 温度， 温度 k ——玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K (或8.62×10-5eV/ K) 玻尔兹曼常数， 玻尔兹曼常数 × 或 × 例：在不同温度时，铜晶体中空位的平衡浓度(空位数/m3) 在不同温度时，铜晶体中空位的平衡浓度(空位数/1m3铜中原子 位置总数 8.0×1028 0℃ (273K) 2×1012 250℃ (523K) 1.7×1020 500℃ (773K) 1.1×1023 750℃ (1023K) 3×1024 1000℃ (1273K) 2.2×1025

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3、过饱和空位形成 、在一定温度时，晶体具有平衡的空位浓度。 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 过饱和。 过平衡浓度时，就称为过饱和。 获得过饱和点缺陷(空位和间隙原子)的方式： 获得过饱和点缺陷(空位和间隙原子)的方式： 淬火：温度升高，平衡浓度增大，急速冷却后， 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。 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， 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。 的平衡浓度。 辐照：高能粒子(中子、质子、氘核、 粒子 电子等) 粒子、 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， 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。 下空位，并形成间隙原子。

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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。 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 是指处于晶格间隙中的原子 是很小的，一个原子硬挤进去必然使周围原子偏离平衡位置， 是很小的，一个原子硬挤进去必然使周围原子偏离平衡位置， 造成晶格畸变，因此也是一种点缺陷。 造成晶格畸变，因此也是一种点缺陷。

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间隙原子又可分为两种： 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， 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。 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、 异类间隙原子一般都是半径很小的原子，如钢铁中的碳、氮、 一般都是半径很小的原子 硼、氢原子即属此类。尽管这些原子半径很小，但是仍比晶格 氢原子即属此类。尽管这些原子半径很小， 间隙的尺寸大，所以也会造成晶格畸变。 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 异类间隙原子在一定温度也有一个平衡浓度， 解度，简称“固溶度” 间隙原子的固溶度通常都很小， 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。 对金属强化却起着极其重要的作用。 合金相结构/固溶体 固溶体/间隙固溶体 见§2-3 合金相结构 固溶体 间隙固溶体

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置换原子置换原子是溶入金属晶体并且占据原来基体原子平衡位 置的异类原子。 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 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。 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， 置换原子的固溶度一般较大，有些可以互为置换 …… 此处隐藏：1763字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……