物理冶金原理：7晶体缺陷
陶杰版材料科学基础--第7章 晶体缺陷
③研究缺陷的意义
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，即晶格畸变。
使强度、硬度提高，塑性、韧性下降； 与材料的电学性质、光学性质有关； 影响材料的高温动力学过程(扩散、相变、固相反应、烧结) ； 对耐腐蚀性和化学反应性能也有较大影响
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
b) 过饱和点缺陷：外来作用（如高温淬火、高能粒 子辐照、冷加工变形）使得点缺陷数量超过其平衡浓度。
空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形 成需能量。 空位形成能（Δ Ef）:形成一个空位所需能量。
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§7.1 点缺陷
三、点缺陷的产生及其运动 (2）点缺陷的运动
a：热激活，原子跳跃到空位上。 b：热运动，间隙原子迁移到另一个间隙位置。 也可以迁移到另一个空位，使两者消失，称为复位。 C：能量起伏，产生新空位和间隙原子。 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生与复合，才 导致原子不停的由一处向另一处做无规则的布朗运动，这是扩散、 固态相变、表面处理、蠕变、烧结等物理化学的基础。
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§7.1 点缺陷
二、点缺陷的平衡浓度
晶体中的空位总是不断的产生和消失，若单位时间内产生的空位 和消失的数量相等时，空位数量保持不变。 点缺陷平衡浓度的推导过程： 根据热力学原理，在恒温下，系统的自由能F为：F=U-TS 设一完整晶体中总共有N个同类原子排列在N个阵点上。若将其中 n个原子从晶体内部移至晶体表面，则可形成n个肖脱基空位，假定空 位的形成能为Ef，则晶体内能将增加DU＝nEf。 另一方面，空位形成后，由于晶体比原来增加了n个空位，因此 晶体的组态熵（混合熵）增大。 根据统计热力学原理，组态熵可表示为： Sc=klnΩ 其中k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K), Ω为微观状态数： ( N n)! N !n!
晶体二维缺陷-位错
2.4 位错的性质
已滑移区与未滑移区的边界线就是位错线 位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶 体表面(包括晶界)，或与其它位错线相连接、 或自成封闭线。 柏氏矢量与位错线垂直的位错是刃型位错， 分为正、负刃型位错 柏氏矢量与位错线平行的位错是螺型位错， 分为左、右旋螺位错
刃型位错正负的判定
第二章
晶体的缺陷
我国晶体缺陷研究的先驱—冯瑞
Baidu Nhomakorabea
基本内容
第一节 点缺陷 第二节 位错的基本性质 第三节 位错弹性性质 第四节 位错受力 第五节 位错运动与增殖 第六节 位错的塞积 第七节 实际金属晶体中的位错 第八节 金属晶体中的界面
第一节 点缺陷
1.1. 引言 1.2.
1 1 m G 10 50
引入位错概念 ﹡由上面的理论和实际的差别，可见规则整体
刚性滑移模型是不切合实际的。设想晶体具 有不完整性。引入位错概念： ☺缺陷运动符合滑移特征 ☺缺陷是易动的，但不如点缺陷那样易热激活 ☺说明这种缺陷的来源和增殖
1934年，M.Polany, E.Orowan, G.I.Taylor同时独立的提出位错的概念。以 后提出位错的各种模型、位错的应力场、相 互作用等。 有许多的方法可观察到位错：透射电镜、浸 蚀法、缀饰法、X射线衍射法、场离子显微 镜等。
金属材料晶体缺陷控制的研究
金属材料晶体缺陷控制的研究
金属材料是工业生产中常见的一种材料，它具有良好的导电性和导热性，还具
有较高的强度和韧性，广泛应用于机械、电子、石油、冶金等领域。但是，金属材料在制备过程中难免会产生一些晶体缺陷，例如晶界、位错、空位、间隙等，这些缺陷会影响金属材料的力学、物理、电学等性质，因此研究金属材料晶体缺陷的控制和调控对于提高金属材料的性能和品质具有重要意义。
晶体缺陷是指晶体内部原子排列的不规则性或异常现象，它通常分为点缺陷、
线缺陷、面缺陷三种类型。其中点缺陷又分为替位原子、空隙、夹杂等。金属材料中的晶界缺陷是指晶体内不同晶粒之间的界面，它是由于晶体生长过程中的结晶方向和速率差异形成的。晶界强度低于同晶体内的晶体中的原子间键结合能，容易导致材料的断裂和变形，因此在制备金属材料时需要尽量减少晶界的数量和面积。位错缺陷是指晶体内部的原子错位现象，它会导致材料的塑性变形和变质。在制备过程中应尽量减少位错的生成和扩散。空位和间隙缺陷是指晶体内部的空隙和空穴现象，会导致材料的电学、热学性质等发生改变，因此制备金属材料时需要控制杂质和空隙的含量。
为了控制晶体缺陷并提高金属材料的性能，研究人员采用了多种方法。其中之
一就是通过合金化来改变金属材料的组成和晶体结构，从而控制晶界和缺陷的生成。例如，在铜基合金中添加锌、铝等元素可以形成一定数量和尺寸的晶界，从而提高材料的强度和硬度。另外，利用热处理、力学加工等方法也可以改变金属晶体的缺陷结构和形貌，从而控制材料的性能。例如，通过退火可以消除位错和空位缺陷，使材料更加均匀，而冷加工则会产生位错锁定现象，进而提高硬度和抗拉强度。此外，还可以利用电化学方法、催化剂等方式控制晶体缺陷，如电化学腐蚀可以清除晶界处的杂质和空隙，从而改善材料的性能。
材料加工物理冶金学
材料加工物理冶金学
引言
材料加工物理冶金学（Physical Metallurgy of Materials Processing）是材料科学和工程中的一个重要分支学科。它研究材料在加工过程中
的物理性质和冶金原理，通过对材料的结构、组成和性能进行研究，
以应用于工程领域的材料加工和制造。本文将介绍材料加工物理冶金
学的基本概念和相关原理。
1.材料加工概述
材料加工是将原材料经过一系列的物理或化学加工工艺，改变其形状、结构和性能的过程。常用的材料加工方法包括锻造、轧制、拉伸、挤压等。材料加工的目的是得到所需的材料形状和性能，以满足工程
应用的需要。
2.材料结构与性能
材料加工过程中，材料的结构会发生变化，进而影响材料的性能。常见的材料结构包括晶体结构、晶界、位错等。晶体结构决定了材料的物理性质，如硬度、导电性等。晶界是相邻晶体之间的边界，对于材料的强度和韧性具有重要影响。位错是材料中原子排列的缺陷，会导致材料的塑性行为。
3.相变与相图
在材料加工过程中，相变是指材料中不同相之间的转变。相图是研究相变行为的重要工具，它描述了材料在不同温度和成分条件下的相变规律。通过控制相变条件，可以得到不同的相结构和性能。
4.材料加工工艺
在材料加工中，有许多不同的工艺可以选择。常见的材料加工工艺包括锻造、轧制、拉伸、挤压等。每种工艺都有其特定的优势和适用范围，根据材料的要求和加工目标选择合适的工艺非常重要。
5.材料加工的热力学和动力学
材料加工涉及许多热力学和动力学过程，热力学研究材料在加工过程中的能量变化和平衡状态。动力学研究材料加工中的速率和机制，包括原子扩散、位错运动等。这些热力学和动力学的知识对于设计合适的材料加工工艺和优化材料性能非常重要。
第三章 晶体缺陷
能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位臵而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 Frenkel 空位，-〉晶体间隙
原因：
=〉空位(vacancy) （2）冷加工 （3）辐照
晶体中的空位和间隙原子
间隙原子 和空位均会引 起晶格畸变， 导致体系能量 升高。
• 点缺陷可以导致：
6.点缺陷对材料性能的影响
使金属的电阻增加 体积膨胀
密度减小
使离子晶体的导电性改善
过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷等还可以
提高金属的屈服强度。 提高材料的高温蠕变速率 所谓高温蠕变是金属在一定温度和恒定的应力下发 生缓慢而又连续的一种形变。
7.产生过饱和点缺陷的方法
形成过饱和点缺陷。
大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错 滑移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都 可能产生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不 能发生明显的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于 非热平衡态 高能粒子辐照 离子注入：这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面 区域的一种工艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺 陷：注入组分离子，产生空位和填隙离子；注入杂质 原子则产生代位或填隙杂质。在半导体器件工艺中， 离于注入是引入掺杂层的有效途径。在制备某些合金 材料时，不溶的合金元素只有借助离子注入技术才能 实现合金化。此外，高能离子注入还能产生位错环和 各种类型的面缺陷，甚至非晶层。
晶体缺陷点缺陷和位错
（3）正、负刃型位错的规定
正刃型位错：半原子面位于滑移面上方，表示符号 “⊥”
负刃型位错：半原子面位于滑移面下方，表示符号 “┬”
正负刃型位错并无本质的差别，只是相对的区别。
（4）刃型位错特征
1）由一个多余半原子平面所形成的线缺陷；位错宽 度为2~5个原子间距的管道。
2）位错滑移矢量b垂直于位错线；位错线和滑移矢 量构成滑移的唯一平面即滑移面。
（1）点缺陷-----零维缺陷。如空位、间隙原子 及杂质原子等。
（2）线缺陷，又称位错-----一维缺陷。 （3）面缺陷----二维缺陷。如晶界，表面及层错
等。 （4）体缺陷-----三维缺陷。如沉淀相、空洞等。
多晶体中的常见缺陷模型图
3.1 点缺陷
点缺陷：最简单的晶体缺陷，它是结点上或临近
的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种 缺陷。如空位、间隙原子、杂质或溶质原子、 空位对、空位团和空位-溶质对等。
空位的形成使内能和熵变增加，导致自由能随 空位数的变化有一极小值。此时系统处于平衡状 态，对应的空位浓度Cv 为平衡空位浓度。Cv 由 能量极小条件 dF/dn =0确定：
dF/dn = Ev - kT ln[(N +n) / n] - TSv=0
ln[(N + n) / n] = (Ev - TSv) / kT 考虑到 n 远小于N ，则有：
位错基本理论
3
根据几何形态特征，可把晶体缺陷分为三类： (1)点缺陷 、(2)线缺陷、(3) 面缺陷 (1)点缺陷：特征是在三维空间的各个方向上的尺寸都很小，
亦称为零维缺陷。如空位、间隙原子等。 (2)线缺陷：特征是在两个方向上的尺寸很小，在一个方向
上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。如晶体中的各类位错。 (3) 面缺陷：特征是在一个方向上的尺寸很小，在另外两个
其原因是由于位错交割所形成的割阶发生攀移。
（3）辐照 在高能粒子辐射下，晶体点阵上原子被击出，发生原子离位。
且离位原子能量高，在进入稳定间隙前还会击处其他原子， 从而形成大量的等量间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。 一般地，晶体点缺陷平衡浓度极低，对金属力学性能影响较 小。但在高能粒子辐照下，因形成大量的点缺陷，会引起金 属显著硬化和脆化，称为“辐照硬化”。
2021/10/10
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塑性变形：是提高金属强度和制造金属制品的重要手段。 早在位错被认识前，对晶体塑性变形的宏观规律已作了广泛
的研究。发现：塑性变形的主要方式是滑移，即在切应力作 用下，晶体相邻部分彼此产生相对滑动。
晶体滑移： 总沿一定的滑移面(密排面)和其上的
一个滑移方向进行，且只有当切应力 达到一定临界值时，滑移才开始。
生一个间隙原子，约达1～2原子体积。 （2）点缺陷引起电阻的增加。 晶体中存在点缺陷，对传导电子产生了附加的散射，使电阻
(7.9)--面缺陷一章学习辅导
第七章 表面与界面
一、学习的意义、本章内容的基本线路及学习要求
意义：界面是二维晶体缺陷，界面上的原子排列与晶体内部完全不同，因此表现出不同的行为，也有不同的性能。材料的强度同样与界面的多少相关，经验规律为Hall-Petch关系。当晶粒直径为纳米尺度时，界面占相当大的比例，Hall-Petch关系不再成立，材料会有许多特殊的物理性能。
本章内容的基本线路：
1）研究的意义；界面与内部有何差异？它可造成怎样的影响？
2）表面结构：能量/平衡形貌/吸附；
3）晶界：小角倾转/扭转晶界；大角：一般；特殊：重合位置；O-点阵/DSC点阵/结构单元/多面体结构；能量；偏析；运动；影响因素；定量描述；
4）相界：分类/结构：错配位错；
5）界面形貌：表面/单相/两相；与性能的关系及控制。
学习要求：按基本线路叙述各部分的内容，熟悉各节的相关关系。掌握各节涉及主要概念的含义。完成若干习题的基本训练。
二、主要内容
材料中占有二维空间的缺陷称面缺陷，面缺陷包括表面、界面（晶界、畴界）、相界面等，它们的结构不同于晶体内部，具有很多特殊的性质，在一系列物理化学过程中起重要作用，而且对整体性能也具有很重要的影响。晶体表面在垂直表面方向上晶体内部周期性遭到破坏，表面原子在真空一侧出现“悬挂链”，使得表面具有额外的能量-表面能，并产生弛豫和重构。不同晶面的表面结构和能量不同，晶体的平衡外形由总表
面能最低原则来确定，简单的方法是通过 s曲面根据Wulff定律作出。表面会发生对异类原子的吸附和偏析。
晶粒界是两个取向不同的晶粒邻接的界面，决定晶界的结构有五个自由度，即两个晶粒的取向差和晶界的位置。根据两晶粒的取向差 ，晶界可分为小角度（ <10︒~15︒）晶界和大角度（ >15︒）晶界。小角度晶界由位错构成，因为晶界上位错的间距与取向差角 成反比，当取向差 大到一定程度后（例如 >15︒），位错间距如此小，已经丧失真实位错的意义。晶界的法线n与获取取向差的旋转轴u平行时，称倾转晶界，而n与u垂直时，晶界称扭转晶界。不论大角度晶界或小角度晶界，晶界两侧原子的匹配越好，晶界的能量越低，晶界越有可能稳定存在。描述晶界两侧匹配良好的几何模型是重合位置点阵（CSL）以及推广的O-点阵模型。假想两个点阵相互穿插，在某些特定的取向下，两个点阵会出现重合的阵点，这个点阵就是CSL，并且是原来点阵的超点阵。界面从这个点阵的密排或较密排的面通过，晶界两侧原子在CSL的阵点上完全匹配，就是一种低能的结构。两个穿插点阵能产生的CSL是有限的，进一步寻找两个穿插点阵匹配较好的但不一定是重合的位置，从这些位置通过的晶界结构也具有比较的低能，如果找到某种这些位置，它也会是周期性的，也是一个原来点阵的超点阵。以这个点阵的任何阵点作为原点，都可以完成晶界两侧的两个点阵之间的变换，所以称之为O-点阵。无论CSL或者O-点阵，只对晶界才有意义的，对晶粒内部没有意义。晶界在O-点阵（包括CSL）阵点附近是匹配好的区域，在O-点阵中间是匹配不好的区域，这些匹配不好所产生的“畸变”一般由晶界“位错”吸纳，这些位错不一定是实际的位错，而是物理意义上的位错。晶界亦会有如位错、点缺陷等实际缺陷，晶界位错（次位错）的柏氏矢量不是随意的，当两个实际点阵相对移动这样的位错的柏氏矢量时，界面上原子排列的花样不改变，只是花样的原点移动了。这样的矢量是DSC点阵
晶体缺陷及其材料性能的影响
晶体缺陷及其对材料性能的影响
摘要:所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并
不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。
关键词:晶体缺陷 ; 性能
Crystal defect and it’s influence on the material
properties
Abstract All of the natural and artificial crystal is not ideal complete crystal, many of their properties are not always decide to the rules of at oms to arrange, but decide to the irregular arrangement in the crystal de fect. Crystal defect have an enormous influence to crystal growth, mecha nical properties of crystal, electrical properties, magnetic properties and o ptical properties, etc, they are very important in the production and resea rch, It is important content. to a basis research in the field of crystal def ect,such as solid physics, chemistry, material science,and so on. it so ha s been particularly important significance to solid. In order to adapt to th
位错基本理论讲课文档
第十九页，共142页。
二、线缺陷－位错
位错：是晶体中普遍存在的一种线缺陷，它对晶体生长、相变、 塑性变形、断裂及其它物理、化学性质具有重要影响。
位错理论是现代物理冶金和材料科学的基础。 位错概念：并不是空想的产物，相反，对它的认识是建立在深
厚的科学实验基础上。
人们最早提出对位错的设想，是在对晶体强度作了一系列的理 论计算，发现在众多实验中，晶体的实际强度远低于其理论强 度，因而无法用理想晶体的模型来解释，在此基础上才提出来 的。
第二十页，共142页。
塑性变形：是提高金属强度和制造金属制品的重要手段。 早在位错被认识前，对晶体塑性变形的宏观规律已作了广泛的
研究。发现：塑性变形的主要方式是滑移，即在切应力作用下， 晶体相邻部分彼此产生相对滑动。
晶体滑移： 总沿一定的滑移面(密排面)和其上的一
个滑移方向进行，且只有当切应力达 到一定临界值时，滑移才开始。
一、刃型位错
晶体在外切应力 作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移，
EFGH面以左发生了滑移，以右尚未滑移，致使ABCD面上下 两部分晶体间产生了原子错排。 EF－将滑移面分成已滑移区和未滑移区，即是“位错”。 EFGH晶面称多余半原子面。
此位错犹如一把刀插入晶体中，有 一个刀刃状多余半原子面，故称
热振动。在一定温度下，原子热振动平均能量是一定，但各原 子能量并不完全相等，经常发生变化，此起彼伏。
位错基本理论
m 为晶体滑移的理论临界分切应力（理论切变强度）。 当 m 后，理想完整晶体就开始发生滑移变形了。
与晶体的实际强度相比，G/2π显得太大了， 一般金属:Ｇ≈104～105 MPa，τm≈103～104 MPa， 但一般纯金属单晶体实际切变强度只有1～10 MPa 。 实验测得的实际强度比理论强度低了至少 3 个数量级。
的研究。发现：塑性变形的主要方式是滑移，即在切应力作 用下，晶体相邻部分彼此产生相对滑动。
晶体滑移： 总沿一定的滑移面(密排面)和其上的
一个滑移方向进行，且只有当切应力 达到一定临界值时，滑移才开始。
此切应力被称为临界分切应力，即晶 体的切变强度。
1926年，弗兰克（ Frankel）从刚体滑移模型出发，推算晶体的 理论强度。
2、间隙原子 间隙原子：进入点阵间隙中的原子。可为晶体本身固有的原
子（自间隙原子）；也可为尺寸较小的外来异类原子(溶质原 子或杂质原子)。 外来异类原子：若是取代晶体本身的原子而落在晶格结点上， 称为置换原子。
间隙原子：使其周围原子偏离平 衡位置，造成晶格胀大而产生晶 格畸变。
3、置换原子 那些占据原基体原子平衡位置的异类原子称为置换原子。 置换原子半径常与原基体原子不同，故会造成晶格畸变。
在实际晶体中，原子的排列不可能这样规则和完整，而是或 多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。
位错介绍
位错的类型——刃型位错
• 刃型位错的概念：设有一简单立方结构的晶体，在外切应力τ作用下，以ABCD面 为滑移面发生滑移， EFGH面以左发生了滑移，以右尚未滑移，致使ABCD面上 下两部分晶体间产生了原子错排。 • 刃型位错线：“刃口”EF将滑移面分成已滑移区和未滑移区，即是刃型位错线。
bwk.baidu.com
位错的类型——刃型位错
其中，G为材料的剪切弹性模量，一般金属:G≈104～105 MPa 。
滑移前
滑移后
位错的提出
• 算得：
τm≈103～104 Mpa
• 实际切变强度：对一般纯金属单晶体，实际切变强度只有1～10 MPa 。 • 实验测得的实际强度比理论强度低了至少 3 个数量级。理论切变强度与实际切变 强度间的巨大差异，从根本上否定理想晶体的刚性相对滑移的假设，即实际晶体 是不完整的，而有缺陷的。滑移也不是刚性的，而是从晶体中局部薄弱地区（即 缺陷处）开始，而逐步进行的。
待变形晶体
弹性变形
出现位错
位错迁移
晶体形状改变，但未断裂 并仍保留原始晶体结构
位错的提出
• 1934年，泰勒（G.I.Taylor）、波朗依（M.Polanyi）和奥罗万（E.Orowan）几乎 同时从晶体学角度提出位错概念。 • 泰勒把位错和晶体塑性变形联系起来，开始建立并逐步发展了位错理论。 • 直到1950年后，电子显微镜实验技术的发展，才证实了位错的存在。
青海省考研冶金工程复习资料冶金物理化学与冶金过程重点知识点整理
青海省考研冶金工程复习资料冶金物理化学与冶金过程重点知识点整理
在青海省考研冶金工程复习中，冶金物理化学与冶金过程是重要的
考点之一。掌握这些知识点对于理解冶金工程的基础理论和实践操作
非常关键。本文将对冶金物理化学与冶金过程的重点知识点进行整理，帮助考生高效备考。
一、冶金物理化学的基础知识
1. 物质的结构与状态：原子核、电子、离子以及晶体结构等相关知识。
2. 动力学与热力学：热力学第一、第二定律，化学势、熵、焓等基
本概念。
3. 化学平衡与反应动力学：如平衡常数、速率常数、反应速率等。
二、冶金物理化学在冶金工程中的应用
1. 金属的结晶与析出过程：了解金属的固相和液相淬火，以及金属
的相变、晶粒生长等过程。
2. 非均质体系的相平衡：掌握了解金属合金中的相平衡，如金属间
化合物的相变等。
3. 电化学反应：包括电解、电池等方面的知识，以及电解液中的金
属沉积、腐蚀等现象。
4. 溶液的性质与应用：了解液相体系中的各种溶解度、溶解度积等概念与应用。
5. 高温气体的性质：研究高温下的物质相平衡与反应动力学，如氧化还原反应等。
三、冶金过程的关键知识点
1. 冶金原料的性质与处理：了解冶金原料的物理性质、化学性质以及预处理方法等。
2. 熔融的特性与控制：掌握金属的熔点、熔化热等性质，以及控制熔融过程的方法与技术。
3. 熔体的处理与凝固过程：了解冶金熔体处理的方法，如脱氧、除杂等，以及凝固过程中结晶形式、晶格缺陷等。
4. 合金的性能与处理：包括合金的相变、显微组织、处理工艺等方面的知识。
5. 冶金燃烧与气相反应：了解冶金过程中的燃烧热力学与动力学，以及相关的高温气相反应。
位错基本理论
螺型位错的原子组态
根据旋进方向的不同，螺型位错有左、右之分。
右手法则：即以右手拇指代表螺旋的前进方向，其余四指代 表螺旋的旋转方向。
凡符合右手定则的称为右螺型位错；符合左手定则的则称为 左螺型位错。
1）无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。
一些晶体的ΔEm的实验值如下表。
一些金属晶体的空位迁移激活能ΔＥｍ的实验值
金属
Au
Ag
Cu
Pt
Al
W
迁移能
（×10-19J） 0.14
0.13
0.15
0.10
0.12
0.3
晶体中的间隙原子：也可因热振动，由一个间隙位置迁移到 另一个间隙位置，只不过其迁移激活能比空位小得多。
间隙原子运动过程中，当与一个空位相遇时，它将落入这个 空位，而使两者都消失，此过程称为复合，亦称 “湮没”。
在实际晶体中，原子的排列不可能这样规则和完整，而是或 多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。
通常把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。
根据几何形态特征，可把晶体缺陷分为三类： (1)点缺陷 、(2)线缺陷、(3) 面缺陷
(1)点缺陷：特征是在三维空间的各个方向上的尺寸都很小， 亦称为零维缺陷。如空位、间隙原子等。
（2）晶体缺陷在晶体的塑性和强度、扩散以及其它结构敏 感性的问题上往往起主要作用，而晶体的完整部分反而处于 次要地位。
物理冶金原理课件阶段复习与习题参考答案
– 冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压….. – 冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）
➢ 优异的热加工成型能力：
– 锻造、热轧、热挤压、
5. 独特的抗过载能力及 使用安全性(加工硬化)
➢ 零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全；
• 固溶强化理论最主要的是位错的钉札机 制，即位错与溶质原子的交互作用。溶 质原子向位错偏聚，形成溶质气团，降 低位错的应变能和系统能量，使位错难 于移动。
• 影响因素：固溶体类型；原子尺寸差； 晶体结构；电化学性质；元素固溶度。
1-7、试比较间隙固溶体与间隙相的结构特征及性能特点
• 间隙固溶体属于一次固溶体，位于相图 端部和纯组元相连接，它的晶体结构保 持纯组元的晶体结构，溶质原子处于溶 剂晶体结构的间隙中，只能有一定的溶 解度。
同素异构转变：一些金属，在固态下随温度或压力 的改变，还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转 变为另一种晶格的变化
1-5、试述置换式固溶体与间隙式固溶体的形成条件、影响固溶度的 主要因素及性能特点。
• 当溶剂与溶质原子尺寸相近，电负性相差不大 时易形成置换式固溶体，绝大多数金属都形成 置换式固溶体，固溶度的大小主要取决于晶体 结构类型、原子尺寸和化学亲和力等。
1、种类繁多(占周期表三分之二)
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2004年中国十大科技新闻（位列第二）
Microstructure in the surface layer of a pure iron plate was refined at the nanometer scale by a surface mechanical attrition treatment that generates repetitive severe plastic deformation of the surface layer. The subsequent nitriding kinetics were greatly enhanced, so that the nitriding temperature could be as low as 300°C, which is much lower than conventional nitriding temperatures (above 500°C). This enhanced processing method demonstrates the technological significance of nanomaterials in improving traditional processing techniques.
二、间隙原子 Interstitial Atoms
热力学不稳定的晶体缺陷
自间隙原子(Self-Interstitials)：
除经高能粒子辐照外(如核装备零件，同时产生 空位空位群空洞：缺陷)、一般不存在
溶质间隙原子(Solute Interstitials) ：
C、N、B、O、H等，固溶强化效果极强！
- etc
Properties:
- Mechanical - Functional
晶体缺陷
Crystal Defects or Imperfections
理想晶体 Ideal or Perfect Crystals
实际晶体的不完美性或“缺陷” Imperfections or Defects in
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
对合金扩散控制的热加工工艺(如渗金属、烧结等)组织具有 决定性影响；
对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强 度、塑性、耐蚀、氧化）
获得非平衡空位(过饱和空位)的方法
高温淬火(Quenching)：通过极端手段
把高温下的平衡空位快速“冷冻”固定到室温
快速凝固；固溶处理：过饱和固溶体（固溶强化）、
晶体的自由能
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
组态熵：Configurational Entropy
DSc = k.ln(N!/n![N-n]!)
振动熵：Vibrational Entropy
DSv = 3k.ln(n/n’)
温度T时晶体中的平衡空位浓度
Cv=n/N=A.exp(-Uv/kT)
2、间隙原子 Interstitials：
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3、置换式原子 Substitutionals
空位
间隙原子
置换式（溶质）原子
一、空位 Vacancies
一种热力学稳定的晶体缺陷
晶体热力学：N个晶格结点、n个空位，空位浓度Cv=n/N
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
空位: 系统自由能增加nUv（ Uv：空位形成自由能） 空位: 组态熵DSc及振动熵DSv增加系统自由能降低
过饱和空位（固溶后时效热处理工艺要求的原因）！
强烈塑性变形:表面喷丸强化－表面纳米化 高能粒子辐照：中子辐照等(同时产生
自间隙原子），材料性能严重脆化！
Nitriding Iron at Lower Temperatures
W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu*
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
Sv = 3k.ln(n/n’) Sc = k.ln(N!/n![N-n]!)
Cu晶体中不同温度的平衡空位浓度
空位对合金组织及性能控制的重要性
物理及电子学性质（密度、电学、电子学性能）
原子扩散的基本（最重要）方式
对合金固态相变过程(形核、长大；时效)及固态相变组织具 有决定性影响；
固溶强化（Solid Solution Hardening
or Strengthening）
Interstitial Atoms in Solid Solution
三、置换式原子（溶质、杂质）
Substitutional Solute Atoms
《物理冶金原理》
主要研究内容
➢ 金属材料的原子排列与结构(晶体结构、 晶体缺陷、显微组织等)
➢ 金属材料主要制备成形工艺的基本原理 (相图与凝固、固态相变、塑性变形等)
➢ 金属材料组织结构、性能及其与制备、 成形过程之间关系与控制的基本理论。
《物理冶金原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
Real Crystals
晶体缺陷的分类
Classifications of Crystal Defects or Imperfections
➢点缺陷 Point Defects: ➢线缺陷 Line Defects: ➢面缺陷 Plane Defects:
点缺陷 Point Defects
1、空位 Vacancies
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)