原子的不规则排列-点缺陷.ppt

1,1.3 原子的不规律排列,2,材料中的缺陷,微观缺陷,气孔，裂纹，夹杂物等,晶体缺陷,晶体缺陷对材料性能影响很大，未必有害！,显微组织缺陷,3,引 言,一、晶体缺陷的定义,Imperfection or defect,任何偏离原子周期性排列的区域，都称为晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能有很大的影响,4,二、缺陷的分类,点缺陷 Point defects：零维（zero dimensional）空位(vacancy)或间隙原子(interstitials)线缺陷 Linear defects：1维（one dimensional）位错(dislocation)面缺陷 Planar defects：2维（two dimensional)晶界、层错、相界、界面体缺陷 Bulk/Volume defects：3维（three dimensional)亚晶粒(subgrains)、亚结构(substructure)、层错四面体(faulted tetrahedron),5,1.3.1 点缺陷（Point defects）,一、点缺陷的形成、结构、能量,2.结构：零维的缺陷，如空位、间隙原子、置换原子等；点缺陷团，如空位片,3.能量：点缺陷周围的点阵畸变，能量升高(点缺陷形成能)。,1.形成：原子的热运动并存在能量起伏,6,二、点缺陷的类型,1.空位,肖脱基空位：离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。晶体中只有空位，而没有间隙原子.,弗兰克尔空位：离位原子进入晶体间隙.晶体中形成空位间隙原子对.,7,2.间隙原子：位于晶体点阵间的原子,3.置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子,8,三、点缺陷的平衡浓度（Equilibrium concentration）,在高于0K的任何温度下，晶体中总是存在一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更加稳定。,点缺陷的平衡浓度,9,讨论：点缺陷是一种热力学平衡的缺陷，它是热振动中的能量起伏。在平衡浓度下晶体的Gibbs自由能最低，因而最稳定T C，成指数上升C 表示在晶体中发现一个点缺陷的几率,10,四、过饱和点缺陷（Supersaturated point defects）,1.形成,11,2.过饱和点缺陷的运动,迁移、复合浓度降低；,迁移、聚集浓度升高或 塌陷，形成位错环.,五、点缺陷与材料行为,12,力学性能.常温下，平衡空位在材料变形中的作用可忽略不计，但大量非平衡（过饱和）空位使金属强度有所提高、显著脆化.高温下，平衡空位在材料变形中的作用不可小视蠕变.,物理性能.如电阻率增大，密度较小，体积收缩或膨胀.,1.对材料性能的影响,空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散的内部原因，原子（或分子）的扩散是依靠点缺陷的运动而实现的，尤其在高温下。例如，改变表面成分的化学热处理、成分均匀化处理，退火与正火、时效硬化处理、表面氧化及烧结等过程均与原子的扩散有关。,2.对材料加工工艺过程的影响,13,例题：,若Cu中每500个原子就会失去1个原子，其晶格常数为0.3615nm，试求Cu的密度。,解：,14,例题：,在某晶体的扩散实验中发现，在500C时，1010个原子中有1个原子具有足够的激活能，可以跳出其平衡位置而进入间隙位置；在600C时，此比例会增加到109。求：(1).此跳跃所需要的激活能；(2).在700C时，具有足够能量的原子所占的比例为多少？,解：若激活过程可由著名的Arrhenius方程来描述。令E为形成一个间隙原子所需的激活能。因此，能量超过平均能量而具有高能量的原子数 n 与总原子数 N 之比为：,A比例常数k Boltzmann常数TAbsolute temp,15,在700C时，,16,补充习题：Pt的晶体结构为FCC，其晶格常数为0.3923nm，密度为21.45 g/cm3，试计算每106个Pt中所含的空位数目。在Fe中形成1mol空位的能量为104.675 kJ，试计算从20C升温至850C时，空位数目增加多少倍？MgO的密度为3.58 g/cm3，其晶格常数为0.42nm，试求每个MgO单位晶胞内所含的肖脱基缺陷数。,