晶体缺陷和强度共47页
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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。
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
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%。
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。
• 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，百度文库另外两个方 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。
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。
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
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：
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(supersaturated point defect)的产生
在点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:
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%。
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）
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。
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
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%。
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。
• 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，百度文库另外两个方 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。
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。
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
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：
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(supersaturated point defect)的产生
在点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:
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%。
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）