材料科学基础 第五章.doc

第五章 晶体缺陷一、学习目的材料的性质决定于其组成原子的性质及其结构（原子空间位置和相互作用关系）。绝对理想化的晶体材料由于其原子性质和结构都是唯一确定的，所以其性质也是唯一确定的。这样一来材料理想化晶体材料的性质就非常容易研究，材料世界中也会非常单调古板。庆幸的是实际材料中存在很多对理想晶体的偏离（所谓晶体缺陷）。这些偏离使实际材料的性质产生了许多变数，造就了我们面前的多彩的材料世界。可以说材料的性质决定于其中晶体缺陷的种类和分布（结构）。因此材料科技工作者必须要掌握材料中已知缺陷的种类、性质、结构、表征方法和这些缺陷对材料的各种性质的影响规律。从而解释为什么这种材料在经过这样处理之后会有这样的性质。应该说，我们对晶体缺陷的认识还不全面。随着理论深化、表征手段的完善，晶体缺陷的知识在增加。本章的另外一个重要目的是向同学展示晶体缺陷相关问题的研究思路和方法，培养大家对此类问题的研究能力。二、本章的主要内容1、描述空位和自空隙原子晶体缺陷。2、已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。3、说出两种固溶体类型，并且简要写出各自的定义，画出草图。4、说出并描述在陶瓷化合物中发现的八种不同的离子点缺陷。5、已知一金属的分子质量以及其中两种或两种以上元素的原子量，计算每一种元素的质量百分比和原子百分比。6、对于刃型位错、螺型位错和混合位错：(a)描述并且画出每一种位错；(b)标出位错线的位置；(c)标明位错线的延伸方向。7、描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。三、重要术语和概念Alloy: 合金A metallic substance that is composed of two or more elements.由两种及以上元素组成的金属材料。Weight percent (wt%)：质量百分数Concentration specification on the basis of weight (or mass) of a particular element relative to the total alloy weight (or mass).Stoichiometry: 正常价化合物For ionic compounds, the state of having exactly the ratio of cations to anions speci-fied by the chemical formula.在离子化合物中，正、负离子的比例严格遵守化学公式定义的化合价关系。Imperfection: 缺陷，不完整性A deviation from perfection; normally applied to crystalline materials wherein there is a deviation from atomic/molecular order and/or continuity.对完美性的偏离，在材料科学领域中通常指晶体材料中原子/分子在排列顺序/连续性上的偏离。Point defect: 点缺陷A crystalline defect associated with one or, at most, several atomic sites.一种仅波及一个或数个原子的晶体缺陷。Vacancy: 空位A normally occupied lattice site from which an atom or ion is missing.一个缺失原子或离子的晶格节点位置。Vacancy diffusion: 空位扩散The diffusion mechanism wherein net atomic migration is from lattice site to an adjacent vacancy.一种扩散机制，此时原子的净迁移是从晶格节点位置迁移到相近的空位中。Self-interstitial: 自间隙原子A host atom or ion that is positioned on an interstitial lattice site.处于自身晶格间隙中的原子或离子。Schottky defect: 肖脱基缺陷In an ionic solid, a defect consisting of a cationvacancy and anionvacancy pair.在离子晶体中的一种缺陷结构，它是由一个阳离子空位和一个阴离子空位组成的空位对。Atomic vibration:原子振动The vibration of an atom about its normal position in a substance.材料中原子在其平衡位置附近的振动。一般说来，这种振动与温度相关，温度越高，振动的幅度越大，因此也称为原子热振动。Substitutional solid solution: 置换固溶体A solid solution wherein the solute atoms replace or substitute for the host atoms.溶质原子取代或代替溶剂原子而形成的固溶体。Interstitial diffusion: 间隙扩散A diffusion mechanism whereby atomic motion is from interstitial site to interstitial site.一种扩散机制，此时原子的运动是从晶格间隙位置迁移到另一个相近的间隙位置。Interstitial solid solution: 间隙固溶体A solid solution wherein relatively small solute atoms occupy interstitial positions between the solvent or host atoms.相对尺寸较小的溶质原子占据溶剂或晶格原子之间间隙位置所形成的固溶体。Solid solution: 固溶体A homogeneous crystalline phase that contains two or more chemical species.Both substitutional and interstitial solid solutions are possible.包含两种或两种以上元素的均匀单相。固溶体可以以置换固溶体或间隙固溶体的形式存在。Solid-solution strengthening: 固溶体强化Hardening and strengthening of metals that result from alloying in which a solid solution is formed.The presence of impurity atoms restricts dislocation mobility. 由于形成固溶体的合金化过程引起的金属硬化和强化，其机制是异类原子的存在限制了位错的可动性。Solute: 溶质One component or element of a solution present in a minor concentration.It is dissolved in the solvent.溶液（固溶体）中，含量较少的组元或元素。溶质溶解在溶剂中。Solution heat treatment: 固溶处理，均匀化退火The process used to form a solid solution by dissolving precipitate particles.Often, the solid solution is supersaturated and metastable at ambient conditions as a result of rapid cooling from an elevated temperature.让沉淀物融解而形成固溶体的热处理过程。通常情况下，从固溶处理温度下快速冷却，形成室温下亚稳态过饱和固溶体。Solvent: 溶剂The component of a solution present in the greatest amount.It is the component that dissolves a solute.溶液（固溶体）中，含量最大的组元，此组元溶解了溶质。Burgers vector (): 柏氏矢量A vector that denotes the magnitude and direction of lattice distortion associated with a dislocation.表示位错引起晶格畸变程度和方向的矢量。Composition (Ci): 成分，组成The relative content of a particular element or constituent (i) within an alloy, usually expressed in weight percent or atom percent.合金中某一元素或组分的相对含量，通常用质量百分数或原子百分数来表示。Defect structure: 缺陷结构，缺陷组态Relating to the kinds and concentrations of vacancies and interstitials in a ceramic compound.在陶瓷化合物中，与空位、间隙原子的类型和偏聚有关的缺陷组态。Dislocation: 位错A linear crystalline defect around which there is atomic misalignment.晶体材料中的线状缺陷，在其附近，原子发生错排。Plastic deformation corresponds to the motion of dislocations in response to an applied shear stress. Edge, screw, and mixed dislocations are possible.在外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。可能存在的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。Screw dislocation: 螺型位错A linear crystalline defect associated with the lattice distortion created when normally parallel planes are joined together to form a helical ramp.The Burgers vector is parallel to the dislocation line.一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为当相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所形成的原子错排组态。螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。Mixed dislocation: 混合位错A dislocation that has both edge and screw components.同时含有刃型分量和螺型分量的位错。Dislocation density: 位错密度The total dislocation length per unit volume of material; alternately, the number of dislocations that intersect a unit area of a random surface section.在单位体积材料中包含位错的长度，或者说在材料内部任意单位截面上位错线的根数。Dislocation line: 位错线The line that extends along the end of the extra half-plane of atoms for an edge dislocation, and along the center of the spiral of a screw dislocation.刃型位错中多余半原子面边缘的连线，或者螺型位错中错排螺旋的中心轴线。Edge dislocation:刃型位错A linear crystalline defect associated with the lattice distortion produced in the vicinity of the end of an extra half plane of atoms within a crystal.The Burgers vector is perpendicular to the dislocation line.一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为晶体中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。刃型位错的柏氏矢量垂直与其位错线。Electroneutrality: 电中性The state of having exactly the same numbers of positive and negative electrical charges (ionic and electronic), that is, of being electrically neutral.材料中一种正负电荷（离子和电子）数目精确相等的状态。在此状态下，材料是不带电的。Frenkel defect: 弗仑克尔缺陷In an ionic solid, a cationvacancy and cationinterstitial pair.在离子固体中的阳离子-空位对和阳离子-间隙原子对。Grain: 晶粒An individual crystal in a polycrystalline metal or ceramic.金属或陶瓷多晶体中的一个单独的小晶体。Grain boundary: 晶界The interface separating two adjoining grains having different crystallographic orientations.把两个相邻具有不同晶体学取向的晶粒分离开的界面。Grain growth: 晶粒长大The increase in average grain size of a polycrystalline material; for most materials, an elevated-temperature heat treatment is necessary.在多晶体材料中晶粒平均尺寸的增加，对大多数材料来说，这需要在一定温度下进行热处理。Grain size: 晶粒尺寸The average grain diameter as determined from a random cross section.从材料任一横截面上测量的晶粒直径的平均值。Microscopy: 显微术，显微镜学The investigation of microstructural elements using some type of microscope.用某种类型的显微镜对材料微观组织情况进行的研究。Microstructure: 显微组织The structural features of an alloy (e.g., grain and phase structure) that are subject to observation under a microscope.在显微镜下观察到的某合金的结构特征（例如：晶粒和相的组织结构特征）。Photomicrograph: 显微组织照片The photograph made with a microscope, which records a microstructural image.在显微镜下拍摄，记录显微组织结构形态的照片。Scanning electron microscope: 扫描电子显微镜，SEMA microscope that produces an image by using an electron beam that scans the surface of a specimen; an image is produced by reflected electron beams.Examination of surface and/or microstructural features at high magnifications is possible.使用一束电子流扫描样品表面，用样品产生的反射电子束产生图象的一种显微镜。扫描电子显微镜的应用使对样品的表面特征和显微组织特征进行高倍观察成为可能。Scanning probe microscope: 扫描探针显微镜，SPMA microscope that does not produce an image using light radiation. Rather, a very small and sharp probe raster scans across the specimen surface; out-of-surface plane deflections in response to electronic or other interactions with the probe are monitored, from which a topographical map of the specimen surface(on a nanometer scale) is produced.一种不用光学射线产生图象，而是用非常尖锐的探针依次横扫描过样品表面,利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用（如样品-探针间的隧道电流或相互作用力等），得到样品相关性质（如电子态密度、形貌、摩擦力、磁畴结构等），因而统称为扫描探针显微镜（SPM）Transmission electron microscope: 透射电子显微镜，TEMA microscope that produces an image by using electron beams that are transmitted (pass through) the specimen.Examination of internal features at high magnifications is possible.透射电子显微镜是用穿过样品的透射电子束产生样品组织形貌像的显微镜。在透射电子显微镜上，可以在高倍下研究样品的内部结构特征。四、主要例题、习题的分析Example Problem 5.1 ( 晶体中点缺陷的平衡浓度分析) Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at 1000. The energy for vacancy formation is 0.9eV/atom; the atomic weight and density (at 1000C) for copper are 63.5g/mol and 8.40g/cm3, respectively.SOLUTION:Farther consideration:由此可见材料中缺陷数是一个非常大的绝对量，但是一个非常小的比例。5.28 Copper and platinum both have the FCC crystal structure and Cu forms a substitutional solid solution for concentrations up to approximately 6 wt% Cu at room temperature. Compute the unit cell edge length for a 95 wt% Pt-5 wt% Cu alloy.5.29 Cite the relative Burgers vectordislocation line orientations for edge, screw, and mixed dislocations.5.31 (a) The surface energy of a single crystal depends on the crystallographic orientation with respect to the surface. Explain why this is so.(b) For an FCC crystal, such as aluminum, would you expect the surface energy for a (100) plane to be greater or less than that for a (111) plane? Why?Design Problems5. D1* Aluminum-lithium alloys have been developed by the aircraft industry in order to reduce the weight and improve the performance of its aircraft. A commercial aircraft skin material having a density of 2.55 g/cm3 is desired. Compute the concentration of Li (in wt%) that is required.5. D2* Iron and vanadium both have the BCC crystal structure and V forms a substitutional solid solution in Fe for concentrations up to approximately 20 wt%V at room temperature. Determine the concentration in weight percent of V that must be added to iron to yield a unit cell edge length of 0.289 nm.五、背景资料晶体缺陷的研究起源于矿物学的研究。矿物学家从有的石英晶体中发现它的形态和光学、电学性质有局域性的变易，从而发现孪晶这种晶体缺陷。18世纪末冶金学家注意到从白炽状态缓冷下来的熟铁晶粒中有亚结构存在。19世纪下半叶冶金学家研究晶粒间界，猜测其厚度为原子尺度。20世纪初期物理学家研究金属的范性，首先在钠单晶上发现滑移带，W. H. 布喇格猜测这些整齐的滑移带是和晶体内部结构相联系的，这些可以作为晶体缺陷研究的史前渊源。1912年M. von 劳厄用 X 射线入射晶体而产生衍射斑，方始证实晶体内部原子是规则排列的。接着布喇格父子开创了晶体结构的研究工作。晶体物理的研究工作从此从宏观外形逐步深入到内部结构的领域。当时，人们认为晶体内部结构是非常有规则的。1914年，C. G. 达尔文从X 射线衍射动力学理论出发计算，得出完整晶体的X 射线衍射强度应远小于实际观察到的；理论计算的衍射线张角的弧度是秒的量级，而实际观察有的可达分的量级。达尔文认为这些理论不能解释实验现象的缘由是实际晶体中原子的排列并不像理想晶体中那样整齐，而在存在缺陷，他称之为嵌镶结构。从此人们开始意识到晶体中存在微观缺陷。现在看来，所谓嵌镶结构实质上就是已为人们熟知的晶体缺陷中的一类重要缺陷位错的某种排列组态。达尔文的工作启开了晶体缺陷研究的大门。20世纪40年代F.塞茨曾把晶体缺陷分为六类：声子、电子与空穴、激子、点阵空位和间隙原子，最后一类缺陷是位错。塞茨称这六类是晶体中的基元缺陷。虽然如此，从物理学过程来看，现在明确知道声子、电子和空穴、激子这三类是对应于固体中的元激发，相当于有序结构（包括能带结构）的微扰，不具有明显局域性和有序结构局域性的严重干扰。所对应的晶体缺陷虽有其相似之处，但本质上的差异也不容忽视。位错研究是以晶体力学性质的研究开始的。20年代欧洲的科学家们，如A. A.格里菲思、. . 约飞、G. 马辛和L. 普朗特从固体力学性质的观察和实验出发，. . 夫伦克耳、R. 贝克尔和M. 波拉尼从计算出发，研究实际晶体力学强度远低于完整晶体理论强度的问题。直到30年代中期才有G. I. 泰勒、E. 奥罗万、波拉尼和J. M. 伯格斯等人把位错模型正确地建立起来。有趣的是在探索位错模型十余年的过程中，像普朗特、泰勒和伯格斯三人都是著名的流体力学科学家。这或许是个巧合，但也可以设想在流体力学理论里的涡旋丝和弹性力学理论力的位错线这两概念有相似之处，从而启发他们从流体中学中的概念出发建立起固体中缺陷模型。孤立子理论原是在19世纪从一个偶然观察而导出的流体力学理论。1938年夫伦克耳和T.康塔罗瓦的位错模型就是在赛恩戈登(SineGo