晶体缺陷与金属强度(2)

1、古一 2022-3-8在晶体内部原子排列并不是完全规则的，在局部一定尺寸范围内原子排列不规则的现象称为晶体缺陷，晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。就好象维纳斯“无臂”之美更深入人心 晶体缺陷赋予材料丰富内容古一 2022-3-8第二章第二章 点缺陷点缺陷n点缺陷：由于原子热运动造成的。包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子（替代式或间隙式）n辐照引起的点缺陷的变化n淬火导致的点缺陷的变化n点缺陷的种类第一节第一节 点缺陷的几何组态点缺陷的几何组态古一 2022-3-8n点缺陷：由于原子热运动造成的。包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子（替代式或间隙式）n点

2、缺陷的种类：第一节第一节 点缺陷的几何组态点缺陷的几何组态1大的置换原子；2肖脱基空位；3 异类间隙原子；4复合空位；5弗兰克耳空位；6小的置换原子古一 2022-3-8n空位：在晶体中的正常点阵位置上抽出一个原子，就造成一个点阵空位。经典的空位图像很简单，原子抽出后，周围原子基本上保留在原有位置上，留下一个很明显的空位。松弛集团图像：如果周围原子朝向空位作较大的松弛，或甚至崩塌到空位里面去，那么就形成一种弥散的空位或是十几个原子构成的松弛集团，类似于局部熔区。接近熔点的温度时才出现。第一节第一节 点缺陷的几何组态点缺陷的几何组态古一 2022-3-8n间隙原子：在正常的点阵间隙位置挤进一个同

3、类原子，就形成一个间隙原子。（以面心立方为例）体心组态：间隙原子处于面心立方体中最大间隙位置 ，它是被六个面心原子构成的八面体所包围，间隙原子处于八面体的中心，并将周围原子略微挤离其正常位置，所产生的畸变是球面对称的。第一节第一节 点缺陷的几何组态点缺陷的几何组态1 1 12 2 2古一 2022-3-8对分组态：间隙原子沿100方向偏离一些，将点阵上的一个近邻原子挤离于平衡位置，形成两个原子对分的间隙组态，所产生的畸变具有四方对称性。挤列组态：沿密排方向，（n+1）个原子占据了n个原子的位置。哪种组态最为稳定，要对间隙原子的能量进行细致的计算之后才能确定第一节第一节 点缺陷的几何组态点缺陷的

4、几何组态古一 2022-3-8n点缺陷的形成能：形成一个点缺陷引起内能的增加。n空位形成能：在晶体内取出一个原子放到晶体表面上而又不改变晶体的表面能时，所需要的能量称为空位的形成能。（P22）理论上，空位形成能和晶体表面原子的蒸发热相等，但考虑金属键的特征、空位周围原子的移动等因素，精确的估计认为空位形成能只有蒸发热的1/21/4。第二节第二节 点缺陷的形成能点缺陷的形成能古一 2022-3-8第二节第二节 点缺陷的形成能点缺陷的形成能u蒸发热越大，熔点越高，则空位形成能也越大。古一 2022-3-8n间隙原子的形成能：从表面台阶上取去一个原子挤入晶体的间隙位置所需能量。间隙原子具有较大形成能

5、，比空位大34倍。在面心立方晶体三种可能的间隙组态中，以对分组态能量最低，应为平衡组态。n几个单体缺陷还可组成能量更低的缺陷集团，如空位对、三空位、空位集团、点缺陷与杂质原子的组合（如大的替代式原子与空位结合成对）。第二节第二节 点缺陷的形成能点缺陷的形成能古一 2022-3-8n热平衡空位的形成第一种方式：原子跳到表面、晶界、或与位错结合，这样形成的空位称为肖脱基（Schottky）空位。第二种方式：一个原子跳入间隙位置后形成一个间隙原子和一个空位。通常把这样一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳（Frenkel）缺陷第三节第三节 热平衡状态下的点缺陷浓度热平衡状态下的点缺陷浓度古一 20

6、22-3-8n热平衡状态下点缺陷的浓度热力学平衡条件，在温度和体积不变的情况下，自由能最小的状态是热力学最稳定的平衡状态。第三节第三节 热平衡状态下的点缺陷浓度热平衡状态下的点缺陷浓度! !ln! !ln()ln()ln )ln()ln()ln ffffFUTSNNnNn nNkNn nk NNNnNnnnTSkT NNNnNnnnUCC自由能设晶体中有 个点阵位置并形成了 个空位，则原子和空位的排列方式有种，因此它引起组态熵增加为S当N数很大时， lnN！NlnN-N故 S而晶体中与空位有关的自由能为： F=n(U其中是一个空位的形成能，S 是形成一个空位时振动熵的增加。古一 2022-3-

7、8第三节第三节 热平衡状态下的点缺陷浓度热平衡状态下的点缺陷浓度0ln,ffTffUSkTkFnUTSnNnkTNnnncAeAeNNn （）由于，其中如前所述，平衡状态自由能为极小值，即： 故平衡空位浓度为： 振动熵系数,110k为玻尔兹曼常数，约为8.6210-5 ev/k或1.3810-23 J/K由上式可得：由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度对应一平衡浓度C 2）C与与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能大，空位浓度小）空位形成能大，空位浓度小对间隙原子也可推

8、出类似的关系式，但由于间隙原子的形成能一般比空位大34倍，所以它的热平衡浓度要比空位小的多。古一 2022-3-8n（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）n（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。力学性能（屈服强度提高。） 第四节第四节 点缺陷对合金性能的影响点缺陷对合金性能的影响古一 2022-3-8n近代物理研究结果表明，晶体中的原子并不是在晶格节点上静止不动的，而是以平衡位置为中心不停地做热振动，原子的这种热振动具有起伏的性质，通过能量涨落产生点缺陷（空位和间隙原子），又是由于能量涨落使得这些缺陷在晶体中进行运动。n空位

9、移动机制：第五节第五节 点缺陷的移动点缺陷的移动古一 2022-3-8n间隙原子移动机制：第五节第五节 点缺陷的移动点缺陷的移动古一 2022-3-8n点缺陷运动的特点：不连续性。它靠能量涨落，当获得一定的能量跳跃到另一位置后，失去了能量，需要再经过一定时间获得新的能量后才能再跳跃；无规则性。点缺陷是在不停地做布朗运动，每次跳跃可以以相等的几率向其最靠近的几个位置中的任何一个位置跳跃，而无明显的方向性。晶体中点缺陷的形成与消失是不断发生的，在一定的温度下，有一定的点缺陷平衡浓度，动态平衡。第五节第五节 点缺陷的移动点缺陷的移动古一 2022-3-8n1、一Mg合金的屈服强度为180MPa，E为45GPa，a