材料缺陷对材料性能的影响

1、女神维纳斯因为她的“无臂”之美而广为人知，但是在日常的生产生活中， 人们更追求的是无误差的完美。 那么究竟缺陷能够在材料中造成什么影响呢， 在 此我将进行简单的概述。材料具有多种性能，大致分为两类，一是使用性能，包括力学性能、物理性 能和化学性能等；二是工艺性能，例如铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性以 及热处理性等等。 在我们生产中经常用到的材料， 其性能常常因为微观上小小的 差异而变得迥然不同。 我们就理想型的完整晶体进行对于材料缺陷对材料性能的 影响的研究与探索。晶体缺陷： 在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则 的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原

2、子的热运动及 其它条件的影响， 原子的排列不可能那样完整和规则， 往往存在偏离了理想晶体 结构的区域。 这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷， 它破坏了晶 体的对称性。晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、 面缺陷、线缺陷几种主要类型。点缺陷：是指三维尺寸都很小， 不超过几个原子直径的缺陷。 主要有空位和 间隙原子在一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等比容的定义 : 为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面 上的新原子位置，这就导致晶体体积增加。比热容的定义 : 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓）

3、， 因而引起附加比热容。电阻率: 金属的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基 本上是在均匀电场中运动， 而在有缺陷的晶体中， 在缺陷区点阵的周期性被破坏， 电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。此外，点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。”在 碱金属的卤化物晶体中， 由于杂质或过多的金属离子等点缺陷对可见光的选择性 吸收，会使晶体呈现色彩。这种点缺陷便称为 色心 。在一般情形下， 点缺陷对金属力学性能的影响较小， 它只是通过和位错交互 作用，阻碍位错运动而使晶体强化。 但在高能粒子辐照的情形下， 由于形成大量 的点缺陷和挤塞子，会引起晶体

4、显著硬化和脆化。这种现象称为 辐照硬化 。缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和 机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。化学性能影响 主要集中在材料表面性能上， 比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模 型，极大地加速材料的腐蚀， 另外表面能量也会受到缺陷的极大影响， 表面化学 活性，化学能等等。总之影响非常大，但是如果合理的利用缺陷， 可以提高材料某一方面的性能， 比如人工在半导体材料中进行掺杂， 形成空穴，可以极大地提高半导体材料的性 能。金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。 如 果位错运动受到的阻碍较小， 则

5、材料强度就会较高。 实际材料在发生塑性变形时， 位错的运动是比较复杂的， 位错之间相互反应、 位错受到阻碍不断塞积、 材料中 的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。因此，要 想增加材料的强度就要通过诸如： 细化晶粒 （晶粒越细小晶界就越多， 晶界对位 错的运动具有很强的阻碍作用）、有序化合金、第二相强化、固溶强化等手段使 金属的强度增加。以上增加金属强度的根本原理就是想办法阻碍位错的运动。空位是指未被原子所占有的晶格结点。 间隙原子是处在晶格间隙中的多余原 子。点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。使材料的强 度、硬度和电阻率增加。所以金属中，点缺陷越

6、多 , 它的强度、硬度越高。除了点缺陷这一经常讨论的缺陷外，还有一些缺陷也产生了重要的作用。线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小， 在另一维方面上尺寸较大 的缺陷。属于这类缺陷主要是位错。 位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发 生了某种有规律的错排现象。面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。 通常是指晶界和亚晶 界。晶界：晶粒之间的边界称为晶界。亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。按缺陷的形成又可以分为本征缺陷和杂质缺陷。本征缺陷由晶体本身偏离晶格结构形成的缺陷， 是由于晶格结点上的粒 子的热运动产生的，也称热缺陷。如：空位缺陷：晶格结点缺少了某些原子（或离子）而出现了空位。间

7、充缺陷：在晶格结点的空隙中，间充有原子（或离子）。错位缺陷：在晶格结点上 A类原子占据了 B类原子所应占据的位置。非整比缺陷：晶体的组成偏离了定组成定律的非整比性的缺陷。杂质缺陷杂质粒子进入晶体形成的缺陷，如杂质粒子和间隙粒子缺陷晶体缺陷一般对晶体的化学性质影响较小， 而对晶体的一些物理性质如导电 性、磁性、光学性能及机械性能影响很大。工业上使用的金属材料绝大多数都是多晶体。 由于晶格空位和间隙原子的出现， 原子间的作用力平衡被破坏， 使其周围的其它原子发生移动，偏离晶体的结点位置，这种现象称为晶格畸变。 以上都为可以影响材料性能的缺陷。 在力学性能方面，改变晶体强度可以改变晶体缺陷数量 此图为晶体强度与晶体缺陷数量的关系 工业上提高金属材料强度晶体强度与晶体缺陷数量关系 的基本途