晶體缺陷與金屬?gòu)?qiáng)度(2)

1、古一 2022-3-8在晶體內(nèi)部原子排列并不是完全規(guī)則的，在局部一定尺寸范圍內(nèi)原子排列不規(guī)則的現(xiàn)象稱(chēng)為晶體缺陷，晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。就好象維納斯“無(wú)臂”之美更深入人心 晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容古一 2022-3-8第二章第二章 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷n點(diǎn)缺陷：由于原子熱運(yùn)動(dòng)造成的。包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子（替代式或間隙式）n輻照引起的點(diǎn)缺陷的變化n淬火導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷的變化n點(diǎn)缺陷的種類(lèi)第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)古一 2022-3-8n點(diǎn)缺陷：由于原子熱運(yùn)動(dòng)造成的。包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子（替代式或間隙式）n點(diǎn)

2、缺陷的種類(lèi)：第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)1大的置換原子；2肖脫基空位；3 異類(lèi)間隙原子；4復(fù)合空位；5弗蘭克耳空位；6小的置換原子古一 2022-3-8n空位：在晶體中的正常點(diǎn)陣位置上抽出一個(gè)原子，就造成一個(gè)點(diǎn)陣空位。經(jīng)典的空位圖像很簡(jiǎn)單，原子抽出后，周?chē)踊旧媳Ａ粼谠形恢蒙?，留下一個(gè)很明顯的空位。松弛集團(tuán)圖像：如果周?chē)映蚩瘴蛔鬏^大的松弛，或甚至崩塌到空位里面去，那么就形成一種彌散的空位或是十幾個(gè)原子構(gòu)成的松弛集團(tuán)，類(lèi)似于局部熔區(qū)。接近熔點(diǎn)的溫度時(shí)才出現(xiàn)。第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)古一 2022-3-8n間隙原子：在正常的點(diǎn)陣間隙位置擠進(jìn)一個(gè)同

3、類(lèi)原子，就形成一個(gè)間隙原子。（以面心立方為例）體心組態(tài)：間隙原子處于面心立方體中最大間隙位置 ，它是被六個(gè)面心原子構(gòu)成的八面體所包圍，間隙原子處于八面體的中心，并將周?chē)勇晕D離其正常位置，所產(chǎn)生的畸變是球面對(duì)稱(chēng)的。第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)1 1 12 2 2古一 2022-3-8對(duì)分組態(tài)：間隙原子沿100方向偏離一些，將點(diǎn)陣上的一個(gè)近鄰原子擠離于平衡位置，形成兩個(gè)原子對(duì)分的間隙組態(tài)，所產(chǎn)生的畸變具有四方對(duì)稱(chēng)性。擠列組態(tài)：沿密排方向，（n+1）個(gè)原子占據(jù)了n個(gè)原子的位置。哪種組態(tài)最為穩(wěn)定，要對(duì)間隙原子的能量進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算之后才能確定第一節(jié)第一節(jié) 點(diǎn)缺陷的幾何組態(tài)點(diǎn)缺陷的

4、幾何組態(tài)古一 2022-3-8n點(diǎn)缺陷的形成能：形成一個(gè)點(diǎn)缺陷引起內(nèi)能的增加。n空位形成能：在晶體內(nèi)取出一個(gè)原子放到晶體表面上而又不改變晶體的表面能時(shí)，所需要的能量稱(chēng)為空位的形成能。（P22）理論上，空位形成能和晶體表面原子的蒸發(fā)熱相等，但考慮金屬鍵的特征、空位周?chē)拥囊苿?dòng)等因素，精確的估計(jì)認(rèn)為空位形成能只有蒸發(fā)熱的1/21/4。第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷的形成能點(diǎn)缺陷的形成能古一 2022-3-8第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷的形成能點(diǎn)缺陷的形成能u蒸發(fā)熱越大，熔點(diǎn)越高，則空位形成能也越大。古一 2022-3-8n間隙原子的形成能：從表面臺(tái)階上取去一個(gè)原子擠入晶體的間隙位置所需能量。間隙原子具有較大形成能

5、，比空位大34倍。在面心立方晶體三種可能的間隙組態(tài)中，以對(duì)分組態(tài)能量最低，應(yīng)為平衡組態(tài)。n幾個(gè)單體缺陷還可組成能量更低的缺陷集團(tuán)，如空位對(duì)、三空位、空位集團(tuán)、點(diǎn)缺陷與雜質(zhì)原子的組合（如大的替代式原子與空位結(jié)合成對(duì)）。第二節(jié)第二節(jié) 點(diǎn)缺陷的形成能點(diǎn)缺陷的形成能古一 2022-3-8n熱平衡空位的形成第一種方式：原子跳到表面、晶界、或與位錯(cuò)結(jié)合，這樣形成的空位稱(chēng)為肖脫基（Schottky）空位。第二種方式：一個(gè)原子跳入間隙位置后形成一個(gè)間隙原子和一個(gè)空位。通常把這樣一對(duì)點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）稱(chēng)為弗蘭克耳（Frenkel）缺陷第三節(jié)第三節(jié) 熱平衡狀態(tài)下的點(diǎn)缺陷濃度熱平衡狀態(tài)下的點(diǎn)缺陷濃度古一 20

6、22-3-8n熱平衡狀態(tài)下點(diǎn)缺陷的濃度熱力學(xué)平衡條件，在溫度和體積不變的情況下，自由能最小的狀態(tài)是熱力學(xué)最穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。第三節(jié)第三節(jié) 熱平衡狀態(tài)下的點(diǎn)缺陷濃度熱平衡狀態(tài)下的點(diǎn)缺陷濃度! !ln! !ln()ln()ln )ln()ln()ln ffffFUTSNNnNn nNkNn nk NNNnNnnnTSkT NNNnNnnnUCC自由能設(shè)晶體中有 個(gè)點(diǎn)陣位置并形成了 個(gè)空位，則原子和空位的排列方式有種，因此它引起組態(tài)熵增加為S當(dāng)N數(shù)很大時(shí)， lnN！NlnN-N故 S而晶體中與空位有關(guān)的自由能為： F=n(U其中是一個(gè)空位的形成能，S 是形成一個(gè)空位時(shí)振動(dòng)熵的增加。古一 2022-3-

7、8第三節(jié)第三節(jié) 熱平衡狀態(tài)下的點(diǎn)缺陷濃度熱平衡狀態(tài)下的點(diǎn)缺陷濃度0ln,ffTffUSkTkFnUTSnNnkTNnnncAeAeNNn （）由于，其中如前所述，平衡狀態(tài)自由能為極小值，即： 故平衡空位濃度為： 振動(dòng)熵系數(shù),110k為玻爾茲曼常數(shù)，約為8.6210-5 ev/k或1.3810-23 J/K由上式可得：由上式可得： 1）晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度）晶體中空位在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，一定溫度T對(duì)應(yīng)一平衡濃度對(duì)應(yīng)一平衡濃度C 2）C與與T呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大呈指數(shù)關(guān)系，溫度升高，空位濃度增大 3）空位形成能大，空位濃度小）空位形成能大，空位濃度小對(duì)間隙原子也可推

8、出類(lèi)似的關(guān)系式，但由于間隙原子的形成能一般比空位大34倍，所以它的熱平衡濃度要比空位小的多。古一 2022-3-8n（1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）n（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高。） 第四節(jié)第四節(jié) 點(diǎn)缺陷對(duì)合金性能的影響點(diǎn)缺陷對(duì)合金性能的影響古一 2022-3-8n近代物理研究結(jié)果表明，晶體中的原子并不是在晶格節(jié)點(diǎn)上靜止不動(dòng)的，而是以平衡位置為中心不停地做熱振動(dòng)，原子的這種熱振動(dòng)具有起伏的性質(zhì)，通過(guò)能量漲落產(chǎn)生點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子），又是由于能量漲落使得這些缺陷在晶體中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。n空位

9、移動(dòng)機(jī)制：第五節(jié)第五節(jié) 點(diǎn)缺陷的移動(dòng)點(diǎn)缺陷的移動(dòng)古一 2022-3-8n間隙原子移動(dòng)機(jī)制：第五節(jié)第五節(jié) 點(diǎn)缺陷的移動(dòng)點(diǎn)缺陷的移動(dòng)古一 2022-3-8n點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：不連續(xù)性。它靠能量漲落，當(dāng)獲得一定的能量跳躍到另一位置后，失去了能量，需要再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間獲得新的能量后才能再跳躍；無(wú)規(guī)則性。點(diǎn)缺陷是在不停地做布朗運(yùn)動(dòng)，每次跳躍可以以相等的幾率向其最靠近的幾個(gè)位置中的任何一個(gè)位置跳躍，而無(wú)明顯的方向性。晶體中點(diǎn)缺陷的形成與消失是不斷發(fā)生的，在一定的溫度下，有一定的點(diǎn)缺陷平衡濃度，動(dòng)態(tài)平衡。第五節(jié)第五節(jié) 點(diǎn)缺陷的移動(dòng)點(diǎn)缺陷的移動(dòng)古一 2022-3-8n1、一Mg合金的屈服強(qiáng)度為180MPa，E為45GPa，a