材料科学基础点缺陷.ppt
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材料科学基础点缺陷.ppt
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1,第七讲第三章晶体结构缺陷,内容:
晶体缺陷种类点缺陷,2,第三章晶体结构缺陷,第三章,案例讨论:
工程上大量使用形变加工的方法改善金属材料的强度及其它性能,从材料晶体结构的角度设想其中的原理。
3,理想晶体和实际晶体,理想晶体:
即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。
实际晶体:
晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列。
晶体缺陷的影响:
晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化(如强度、塑性、扩散、固态相变等)都有着重大影响,第三章,4,维纳斯“无臂”之美更深入人心晶体缺陷赋予材料丰富内容,第三章,第三章晶体结构缺陷,5,第三章晶体结构缺陷,原子的不规则排列产生晶体缺陷。
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。
晶体缺陷:
实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。
点缺陷:
在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。
如空位、间隙原子、异类原子等。
线缺陷:
在两个方向上尺寸很小,而另一个方向上尺寸较大的缺陷。
主要是位错。
面缺陷:
在一个方向上尺寸很小,在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。
如晶界、相界、表面等。
第三章,6,第三章晶体结构缺陷,一点缺陷1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。
弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。
(2)间隙原子:
位于晶体点阵间隙的原子。
(3)置换原子:
位于晶体点阵位置的异类原子。
第三章,第一节点缺陷,7,第三章晶体结构缺陷,一点缺陷,第三章,第一节点缺陷,(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning,8,第三章晶体结构缺陷,一点缺陷肖脱基空位弗兰克尔空位,第三章,第一节点缺陷,11,点缺陷对晶体结构的影响,空位和间隙原子都将使周围原子间作用力失去平衡,点阵产生弹性畸变,形成应力场,引起晶体内能升高。
点缺陷形成能:
点缺陷的引入使得晶体内能升高,这部分增加的能量称为点缺陷形成能。
通常空位引起的晶格畸变小于间隙原子的晶格畸变,空位形成能也小于间隙原子形成能。
12,点缺陷的平衡浓度,2点缺陷的平衡浓度
(1)点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下,晶体中总是存在着一定数量的点缺陷(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为稳定。
(原因:
晶体中形成点缺陷时,体系内能的增加将使自由能升高,但体系熵值也增加了,这一因素又使自由能降低。
其结果是在G-n曲线上出现了最低值,对应的n值即为平衡空位数。
)
(2)点缺陷的平衡浓度C=Aexp(-Ev/kT),第三章,第一节点缺陷,13,点缺陷平衡浓度公式推导,体系自由能:
内能增殖:
系统熵增殖:
组态熵:
推导:
第三章,14,斯特令近似:
求极值:
讨论:
1、存在极小值;2、时体系自由能最小。
平衡浓度公式:
影响平衡浓度的因素:
1、温度2、空位形成能,15,平衡点缺陷对体系自由能的影响,自由能变化:
结论:
当晶体中存在平衡浓度的空位时,不但不增加晶体的自由能反而可以最大限度地降低其自由能。
因此,空位是热力学稳定的晶体缺陷。
间隙原子平衡浓度:
间隙原子的形成能较大,在相同温度下间隙原子比空位平衡浓度小得多,通常可以忽略不计。
所以一般情况下,金属晶体的点缺陷主要是指空位。
第三章,16,点缺陷的运动,点缺陷的运动(迁移、复合浓度降低;聚集浓度升高塌陷),第三章,第一节点缺陷,17,三、点缺陷的运动和作用,空位运动:
空位周围原子的热振动给空位的运动创造了条件,空位就是通过与周围原子不断地换位来实现其运动的。
迁移能:
空位运动时,必然会引起点阵畸变,因而必须克服能垒,为此所需要的额外的能量称为迁移能。
点缺陷运动的实质:
点缺陷的运动实际上是原子迁移的结果,而这种点缺陷的运动所造成的原子迁移正是扩散现象的基础。
第三章,18,点缺陷对性能的影响,点缺陷能使金属的电阻增加;体积膨胀,密度减小;能加速与扩散有关的相变、化学热处理及高温下的塑性变形和断裂等;过饱和点缺陷还可以提高金属的屈服强度。
第三章,19,四、过饱和点缺陷,概念:
在某些特殊情况下,晶体也可以具有超过平衡浓度的点缺陷,称之为过饱和点缺陷。
几种获得过饱和点缺陷的方法
(1)淬火法
(2)辐照法(3)塑性变形过饱和点缺陷的特性:
这些过饱和点缺陷是非平衡点缺陷,是不稳定的,在加热过程中它们将通过运动而消失,最后又趋子平衡浓度。
第三章,
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- 材料科学 基础 点缺陷