晶体缺陷和强度共47页
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《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
材料科学基础 第2章 晶体缺陷PPT课件
2.2.1.点缺陷的种类及形成
当温度高于绝对零度时，晶体中原子或离 子围绕其平衡位置作热振动；并且晶体中原子 的能量非平均分配，存在热起伏。由于热运动， 晶体中的一些能量足够高的质点离开它的平衡 位置而形成的缺陷称为热缺陷，它是一种本征 缺陷。热缺陷包括肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷 和间隙原子。
（1）肖脱基缺陷
kT
[ln(N n) lnn]
平衡时，自由能达到最 小 ，即：
F 0 n T
lnn ln(N n) EV TSf kT
ln n EV Sf N n kT k
当N＞ ＞ n时：
ln n ln n Nn N
C Aesp EV kT
将上式指数分子分母 同乘以阿伏加德罗常数 6.02×1023，则上式变为：
（3）间隙原子
晶体表面上的原子由于热涨落跳跃进入晶体内部的间隙位 置。这时晶体内部只有间隙原子。
（4）热缺陷形成时的晶格畸变及畸变能
形成缺陷后，不仅使得晶体内部局部位置原有的 规则排列遭到破坏，原子位置发生了变化，而且原有 的作用力也将失去平衡，将引起晶格畸变，产生畸变 能。与空位形成相比，间隙原子引起的畸变能更大， 因此晶体中间隙原子浓度比空位浓度低得多。
2.2.1位错的基本类型和特征
位错是晶体中原子排列的一种特殊组态， 从位错的几何结构看，可分为刃型位错和螺 型位错两种基本类型。另外，混合位错是刃 型位错和螺型位错的混合体。
1.刃型位错
滑移区
半原子面
位错线
滑移面 未滑移区
τ
τ
刃型位错的特征
①刃型位错有一个多余半原子面，根据 额外半原子面在滑移面的上方或下方， 可②④分刃晶为性体正位中刃错产性线生位可韧错理性和解位负为错刃晶之性体后位中，错已位滑错移线周 区围和的未点滑阵移发区生的弹边性界畸线变，，滑既移有线切或应为变， 直又线有，正也应可变能。为在曲畸线变，区但，必原定子垂具直有于较大 ③滑的刃移平型方均位向能错(量滑不。移只就矢是正量一刃)列；型原位子错，，而上是部以为位压 错应线力为，中而心下轴部的为一张个应圆力筒。状负区刃域型，位其错半则 径相一反般。为2～3个原子间距。在此范围内 原子发生严重错排。
《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷
41
刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小， 产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处 切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。x NhomakorabeaGb
2 (1 )
y(3x2 (x2
y2) y2 )2
y
Gb
2 (1
)
y(x2 y2) (x2 y2)2
z ( x y )
x
xy
Gb
2 (1 )
21
刃位错b与位错线 垂直
螺位错b与位错线 平行
bb
l
l
正
负
b
b
右旋
左旋
任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个b。
有大小的晶向指数表示
b a [uvw] 模 n
b a u2 v2 w2 n
22
Burgers矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内
部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量 之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。
不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与 晶界和相界，与其他位错相交，位错环）
半原子面及周围区域统称为位错
18
2. 螺位错
晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围 的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。
几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。
d
34
六、位错应变能
位错原子偏移正常位置，产生畸变应力， 处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹 性应变。
位错心部应变较大，超出弹性范围， 但这部分能量所占比例较小， <10%，可以近似忽略。
35
1. 理论基础：连续弹性介质模型
无机材料科学基础晶体结构缺陷PPT课件
16
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表2-7为由理论公式计算的缺陷浓度。由表中数据可见，随⊿Gf升高，温度降 低，缺陷浓度急剧下降。
当⊿Gf不太大，温度较高时，晶体中热缺陷的浓度可达百分之几。
17
第17页/共73页
§4-2 非热力学平衡态点缺陷
热平衡态点缺陷：纯净和严格化学配比的晶体中，由于体系能量涨落而形
成的，浓度大小取决于温度和缺陷形成能。
注意：这种空位表示的是原子空位。对于象NaCl这样的离子晶体，仍然当作原子晶体处 理。Na+被取走时，一个电子同时被带走，留下一个Na原子空位；Cl-被取走时，仍然以Cl 原子的形态出去，并不把所获得的电子带走。这样的空位是不带电的。 2．填隙原子：Mi和Xi分别表示M和X原子处在间隙位置上。 3．错放位置：MX表示M原子被错放到X位置上。
P2 4
21
第21页/共73页
4．溶质原子：LM和SX分别表示L溶质处在M位置，S溶质处在 X位置。例如，CaCl2在KCl中的固溶体，CaK表示Ca处在K的 位置；若Ca处在间隙位置则表示为Cai。
5．自由电子及空穴：用e′和h· 分别表示自由电子和电子空穴。 “′”和“·”表示一个单位负电荷和一个单位正电荷。
※ 热缺陷的浓度随温度的上升而呈指数上升。一定温 度下，都有一定浓度的热缺陷。
10
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三.平衡态热缺陷浓度
热缺陷是由于热起伏引起的，在一定温度下，当热缺陷的产生与复合过程达到热 力学平衡时，它们具有相同的速率。在热平衡条件下，热缺陷的数目和晶体所处 的温度有关。即：热缺陷浓度是温度的函数。 所以在一定温度下，热缺陷的数目可通过热力学中自由能的最小原理来进行计算。 推导过程如下：
陷——本征点缺陷。
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表2-7为由理论公式计算的缺陷浓度。由表中数据可见，随⊿Gf升高，温度降 低，缺陷浓度急剧下降。
当⊿Gf不太大，温度较高时，晶体中热缺陷的浓度可达百分之几。
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§4-2 非热力学平衡态点缺陷
热平衡态点缺陷：纯净和严格化学配比的晶体中，由于体系能量涨落而形
成的，浓度大小取决于温度和缺陷形成能。
注意：这种空位表示的是原子空位。对于象NaCl这样的离子晶体，仍然当作原子晶体处 理。Na+被取走时，一个电子同时被带走，留下一个Na原子空位；Cl-被取走时，仍然以Cl 原子的形态出去，并不把所获得的电子带走。这样的空位是不带电的。 2．填隙原子：Mi和Xi分别表示M和X原子处在间隙位置上。 3．错放位置：MX表示M原子被错放到X位置上。
P2 4
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4．溶质原子：LM和SX分别表示L溶质处在M位置，S溶质处在 X位置。例如，CaCl2在KCl中的固溶体，CaK表示Ca处在K的 位置；若Ca处在间隙位置则表示为Cai。
5．自由电子及空穴：用e′和h· 分别表示自由电子和电子空穴。 “′”和“·”表示一个单位负电荷和一个单位正电荷。
※ 热缺陷的浓度随温度的上升而呈指数上升。一定温 度下，都有一定浓度的热缺陷。
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三.平衡态热缺陷浓度
热缺陷是由于热起伏引起的，在一定温度下，当热缺陷的产生与复合过程达到热 力学平衡时，它们具有相同的速率。在热平衡条件下，热缺陷的数目和晶体所处 的温度有关。即：热缺陷浓度是温度的函数。 所以在一定温度下，热缺陷的数目可通过热力学中自由能的最小原理来进行计算。 推导过程如下：
陷——本征点缺陷。
晶体缺陷与金属强度【】全
混合位错的形成
2018/11/8
———— 古一 ————
混合位错
在AC位错线中，靠近A端的位错线段平行于滑移矢量，属于纯螺型位错； 靠近C端的位错线段垂直于滑移矢量，属于纯刃型位错，其余部分线 段与滑移矢量成任意角度，均属混合位错，但每一段位错线均可分解 为刃型和螺型两个分量
混合位错原子组态
2018/11/8 ———— 古一 ————
2018/11/8
———— 古一 ————
位错滑移时的晶格阻力
派一纳力（τp-N）实质上是指周期点阵中移 动单个位错所需的临界切应力，其近似计 算式为： 2G 2G 2 a (2-5) 2 w exp exp
p
1 v
b
刃型位错可以想像为在晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这个 原子平面中断处的边沿及其周围区域就是一个刃型位错 中断处的边沿犹如在晶体中插入一把刀刃，故称之为“刃型位错”， 而在刃口处的原子列定义为“刃型位错线”
正刃型位错:半原子面位于某晶面的上半部位置的称为正刃 型位错，以记号“⊥”表示 负刃型位错：半原子面位于某晶面下半部的称为负刃型位 错，以“T”表示
2018/11/8
———— 古一 ————
三位错线相遇于一点
2018/11/8
———— 古一 ————
位错密度
位错密度计算示意图
2018/11/8
———— 古一 ————
位错的密度
单位体积内位错线的总长度 ρ υ =L/υ ρ s=N/s(单位面积位错露头数) ρ s =ρ υ （当位错线全部平行时） 2ρ s =ρ υ （当位错线方向任意时）
2018/11/8
晶体缺陷及强度理论
为了提高观察到网络的几 率，我们使选定的金相面 与网络所在的平面成一小 的夹角α ，取α≈1 0 网络所在的{111}面为PQ， 它和金相面MN的夹角为 α≈1 0从表面MN腐蚀掉d ≈ 0.01mm的一层，得到金相 观察表面UV，显示出网络 宽度OA。通过简单的几何 计算，可以得到 OA=0.5mm。 取a为1 0对金相观察是较适 宜的。
抛光划痕经氧化后的热氧化层错
利用微缺陷与位错的相互作用观察位错
根据相关文献中对半绝缘砷化镓单晶中晶体缺陷的化学腐 蚀后显微观察及TEM、SEM研究结果可知：在GaAs晶体 中微缺陷由于受到位错应力场的作用而被吸附到位错附近， 在位错密度较低区域，微缺陷呈点状分布，随位错密度增 大，由于同号位错相互吸引，异号位错相互排斥而形成位 错排、星型结构或网状结构分布。微位错也同样按线状、 星状结构或网络结构分布。 也就是说微缺陷与位错分布有着强烈的依赖关系，位错吸 附微缺陷，微缺陷缀饰位错。
硅单晶漩涡缺陷的铜缀饰腐蚀显示实验：在研究Si中Cu行 为的基础上 拟定合理的缀饰工艺，在采用择优腐蚀来显示 铜缀饰增强后的漩涡缺陷,参照半导体学报铜缀饰具体工艺 过程为： ①切片、研磨、抛光 ②镀铜和铜缀饰 ③再次研磨抛光后，择优腐蚀
在半导体材料硅单晶上， Dash用铜缀饰样品，并对 位错进行了观察。由于Si是 不透明的，因而他使用了对 Si是透明的红外显微镜。在 加温和应力的条件下拍得的 一个正在开动的位错增殖机 ――Frank-Read源。
晶体缺陷显微镜研究中的方法
缀饰法
腐蚀剂有时对某些晶体缺陷不能显示，或者用透射法观察 时不能产生明显的衬度，此时可采用扩散的方法或其他方 法使某些重金属原子优先淀积在缺陷上，这就称为用重金 属原子对晶体缺陷进行了缀饰。 经过缀饰的晶休缺陷容易用腐蚀剂显示，这是由于缺陷上 淀积了重金属原子，它们对光线强烈散射，当用透射显微 镜观察时可形成强烈的反差 。
《晶体缺陷》PPT课件
晶体中空位
4
原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布， 在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处， 形成空位。
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（ΔEV）为形成一个空位所需能量。
5
6．1．1 空位的热力学分析
点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区别 之一是后者为热力学不稳定的缺陷。在一定温度下，晶体中
空位与位错
1、点缺陷 2、线缺陷
2.1 柏氏矢量 2.2 位错的运动 2.3 位错的应力场 2.4 位错的应变能 2.5 位错的受力 2.6 位错与晶体缺陷的相互作用 2.7 位错的萌生与增值 2.8 实际晶体中的位错组态 2.9 位错的观测
晶体缺陷--点缺陷
2
6．1 空位
空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺 陷，如图
22
2．柏氏矢量b的物理意义
1） 表征位错线的性质 据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，如图6-16
2）b表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中
包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变 总量所确定的柏氏矢量也不改变。 3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且 不稳定。 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力 等，都与b有关。
10
6．1．4 空位对金属性能的影响
1．对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻
2．对力学性能的影响
3．对高温蠕变的影响
6．1．5 空位小结
• 1、空位是热力学稳定的缺陷 2、不同金属空位形成能不同。 3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关
第一章---引言---晶体缺陷和强度
晶体缺陷与强度
Crystal Defect and Strength
王建华
材料科学与工程学院
2019.09.12
2020/1/21
1
Have You Ever Wondered?
为什么制造半导体的硅晶体含有大量的掺杂， 如磷或硼？
为什么能制造比纯铁硬度和强度高的钢呢？
为什么面心立方金属（如铜、铝等）比体心立 方和密排六方金属的塑性好呢？
2020/1/21
19
第一章 绪言
1.2 晶体缺陷概述
晶体缺陷是指实际晶体晶体结构中和理想的点阵结构发 生偏差的区域。即在某些局部区域，原子排列是紊乱、 不规则的，这些原子排列规则性受到严重破坏的区域统 称为“晶体缺陷”。 相对于理想晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷 显得十分活跃，它的状态易受外界的影响，晶体缺陷的 数量及分布对材料的行为有十分重要的作用 。
2020/1/21
20
晶体缺陷分类
第一章 绪言
按照晶体缺陷区相对晶体的大小，可将晶体缺陷分为:
点缺陷（0-dimensional defects）
空位、间隙原子
线缺陷（1-dimensional Defects）
位错（螺型，刃型）
面缺陷（2-dimensional Defects）
界面（晶界，相界） ，表面21
金属的疲劳：在交变应力作用下，虽然零件所承受的 应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产 生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
疲劳曲线：表征材料承受的交变应力(σ )与材料断裂前 承受交变应力的循环次数(N)之间的关系。
2020/1/21
31
疲劳曲线
对称循环交变应力
疲劳极限(亦叫疲劳强度)：金属承受的交变应力越大，
Crystal Defect and Strength
王建华
材料科学与工程学院
2019.09.12
2020/1/21
1
Have You Ever Wondered?
为什么制造半导体的硅晶体含有大量的掺杂， 如磷或硼？
为什么能制造比纯铁硬度和强度高的钢呢？
为什么面心立方金属（如铜、铝等）比体心立 方和密排六方金属的塑性好呢？
2020/1/21
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第一章 绪言
1.2 晶体缺陷概述
晶体缺陷是指实际晶体晶体结构中和理想的点阵结构发 生偏差的区域。即在某些局部区域，原子排列是紊乱、 不规则的，这些原子排列规则性受到严重破坏的区域统 称为“晶体缺陷”。 相对于理想晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷 显得十分活跃，它的状态易受外界的影响，晶体缺陷的 数量及分布对材料的行为有十分重要的作用 。
2020/1/21
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晶体缺陷分类
第一章 绪言
按照晶体缺陷区相对晶体的大小，可将晶体缺陷分为:
点缺陷（0-dimensional defects）
空位、间隙原子
线缺陷（1-dimensional Defects）
位错（螺型，刃型）
面缺陷（2-dimensional Defects）
界面（晶界，相界） ，表面21
金属的疲劳：在交变应力作用下，虽然零件所承受的 应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产 生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
疲劳曲线：表征材料承受的交变应力(σ )与材料断裂前 承受交变应力的循环次数(N)之间的关系。
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疲劳曲线
对称循环交变应力
疲劳极限(亦叫疲劳强度)：金属承受的交变应力越大，
第一章---引言---晶体缺陷和强度-63页PPT文档资料
则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,
试样可以经受无限周期循环而不破坏， 此应力值称
为材料的疲劳极限（疲劳强度），用σ-1 表示。
19.11.2019
32
实际上，金属材料不可能作无限次交变载荷实 验。那么：
黑色金属：N＝107而试样不断裂时的σmax 为疲 劳极限。
有色金属、不锈钢：N＝108而试样不断裂时的 σmax 为疲劳极限。
• 强度极限（抗拉强度σb ）：表示金属受拉时所能承受 的最大应力。
σe 、σs 、σb 是机械零件和构件设计和选材的主要依据。
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疲劳强度
交变应力(也称循环应力)：轴、齿轮、轴承、叶片、 弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期 性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为在交 变应力。
强度是材料对塑性变形和断裂的抵抗力。 由于承受载荷的形式不同，强度可分为： 拉伸强度、压缩强度、弯曲强度
主要强度指标：抗拉强度、屈服强度、疲劳强度 评定高温强度时用蠕变强度和持久强度
19.11.2019
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材料的强度用拉伸试验测定
19.11.2019
拉伸前 拉伸后
圆 形 拉 伸 试 样
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金属疲劳极限的影响因素：工作条件、表面状 态、材质、残余内应力等。
19.11.2019
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第一章 绪言
1.4 固体材料的性能与缺陷
按照缺陷对性能影响的程度大体划分为两类： （1）非结构敏感性的：如弹性模量、密度、热容量等 （2）结构敏感性的：如屈服强度、断裂强度等
结构敏感性反映了晶体中的缺陷对于性能的影响
19.11.2019
37
影响强度的因素：
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为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度 （K）来表示。配位数是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最 近的原子数目；致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶 胞中所包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值。
常见纯金属的晶格类型
体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞如下图所示。它的形状是一个立方体，其 晶格常数a=b=c，所以只要一个常数a即可表示；其α=β=γ=90o。在 体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶 格的金属有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。体心立方晶胞的每个角 上的原子是同属于与其相邻的八个晶胞所共有，故只有1/8个原子属 于这个晶胞。所以体心立方晶胞中的原子数为： 。每个原子的最近
• 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 向尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面、反相 筹界、层错等
一 、点缺陷
由于原子热振动造成的。
C=Aexp(-∆Ev/kT) K：波尔兹曼常数，约为8.62×10-5ev/K或1.38×10-23J/K ∆Ev：该种点缺陷的形成能。
过饱和点缺陷(supe缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的 温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称 为过饱和点缺陷，通常 它的产生方式有三种:
邻原子数为8，所以其配位数为8。致密度可计算如下： 或68%。
面心立方晶格
面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一个立方体。在 面心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和六个面的中 心。属于这类晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、 Pb等。从图中可算出面心立方晶体的原子半径为 ；每个晶 胞所包含的原子数为4个；配位数为12；致密度为0.74或 74%。
密排六方晶格
密排六方晶胞如图所示。它是一个正六面柱体，在晶 胞的12个角上各有一个原子，上底面和下底面的中心 各有一个原子，上下底面的中间有三个原子。属于这 类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。其晶格常数用 正六边形底面的边长a和晶胞的高度c来表示。两者的 比值c/a≈1.633；其原子半径 ；每个晶胞所包含的原 子数为6个；配位数为12；致密度为0.74或74%。
淬火(quenching) 冷加工(cold working) 辐照(radiation)
1. 淬火 高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过 扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。
2. 冷加工 金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发 生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加。
1、 点缺陷的类型 （1）空位： 肖脱基空位－离位原子进入其
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。
置换原子
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
3. 辐照 当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、α粒子、电子等） 辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原 子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量 的空位和间隙原子
3 点缺陷的产生及其运动
（1）点缺陷的产生 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。 （2）点缺陷的运动 （迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）
在弹性变形范围，应力和应变服从 胡克定律：
μ是拉梅系数，对各向同性弹性体， 它等于切变模量G，g是切应 变。g可以近似为x/a，上式变成：
因原子间斥力的短程性，能量曲线不是正弦形的，所以上面的估计是过高 的，tc的更合理值约为G/30。理论切变强度和切变模量相差约1个数量级。 但实验测定的切变强度比理论切变强度低2~4个数量级。
第二节 原子的不规则排列
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
• 晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差 的区域。按其作用范围可分为：
4 、点缺陷与材料行为
（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。） （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）
位错基本概念（位错）
理论切变强度的估算假设能量曲线是 正弦形式。这样，要使原子面相对切 开所需要的切应力为：
第一章：金属及合金的结构
金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金属及其合金。 金属材料在固态下通常都是晶体状态(金属玻璃除外)，所以要研究金 属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。
第一节 晶体的基本概念
晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性 能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情 况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样 得到的三维空间几何格架称为晶格，晶格中各连线的交点称为结点； 组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶 格常数，其大小通常以埃为计量单位（A），晶胞各边之间的相互夹 角分别以α、β、γ表示。由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶 胞可以表示晶格中原子排列的特征。在研究晶体结构时，通常以晶胞 作为代表来考查。
常见纯金属的晶格类型
体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞如下图所示。它的形状是一个立方体，其 晶格常数a=b=c，所以只要一个常数a即可表示；其α=β=γ=90o。在 体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶 格的金属有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。体心立方晶胞的每个角 上的原子是同属于与其相邻的八个晶胞所共有，故只有1/8个原子属 于这个晶胞。所以体心立方晶胞中的原子数为： 。每个原子的最近
• 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 向尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面、反相 筹界、层错等
一 、点缺陷
由于原子热振动造成的。
C=Aexp(-∆Ev/kT) K：波尔兹曼常数，约为8.62×10-5ev/K或1.38×10-23J/K ∆Ev：该种点缺陷的形成能。
过饱和点缺陷(supe缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的 温度下，晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称 为过饱和点缺陷，通常 它的产生方式有三种:
邻原子数为8，所以其配位数为8。致密度可计算如下： 或68%。
面心立方晶格
面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一个立方体。在 面心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和六个面的中 心。属于这类晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、 Pb等。从图中可算出面心立方晶体的原子半径为 ；每个晶 胞所包含的原子数为4个；配位数为12；致密度为0.74或 74%。
密排六方晶格
密排六方晶胞如图所示。它是一个正六面柱体，在晶 胞的12个角上各有一个原子，上底面和下底面的中心 各有一个原子，上下底面的中间有三个原子。属于这 类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。其晶格常数用 正六边形底面的边长a和晶胞的高度c来表示。两者的 比值c/a≈1.633；其原子半径 ；每个晶胞所包含的原 子数为6个；配位数为12；致密度为0.74或74%。
淬火(quenching) 冷加工(cold working) 辐照(radiation)
1. 淬火 高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过 扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。
2. 冷加工 金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发 生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加。
1、 点缺陷的类型 （1）空位： 肖脱基空位－离位原子进入其
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。
置换原子
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
3. 辐照 当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、α粒子、电子等） 辐照时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原 子具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量 的空位和间隙原子
3 点缺陷的产生及其运动
（1）点缺陷的产生 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。 （2）点缺陷的运动 （迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）
在弹性变形范围，应力和应变服从 胡克定律：
μ是拉梅系数，对各向同性弹性体， 它等于切变模量G，g是切应 变。g可以近似为x/a，上式变成：
因原子间斥力的短程性，能量曲线不是正弦形的，所以上面的估计是过高 的，tc的更合理值约为G/30。理论切变强度和切变模量相差约1个数量级。 但实验测定的切变强度比理论切变强度低2~4个数量级。
第二节 原子的不规则排列
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
• 晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差 的区域。按其作用范围可分为：
4 、点缺陷与材料行为
（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。） （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）
位错基本概念（位错）
理论切变强度的估算假设能量曲线是 正弦形式。这样，要使原子面相对切 开所需要的切应力为：
第一章：金属及合金的结构
金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金属及其合金。 金属材料在固态下通常都是晶体状态(金属玻璃除外)，所以要研究金 属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。
第一节 晶体的基本概念
晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性 能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情 况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样 得到的三维空间几何格架称为晶格，晶格中各连线的交点称为结点； 组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶 格常数，其大小通常以埃为计量单位（A），晶胞各边之间的相互夹 角分别以α、β、γ表示。由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶 胞可以表示晶格中原子排列的特征。在研究晶体结构时，通常以晶胞 作为代表来考查。