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
e different actual needs and the development o
f The demand of Times.o
f people.This paper focuses on expoundin
g the influence and the applica tion of the crystal defect and its impact on the crystal.
Keyword crystal defect property
1. 引言
很早以前, 金属物理学家在研究金属的加工变形时就发现了晶体缺陷与金属的变形行为及力学性质有密切的关系。后来, 材料科学家发现这类缺陷不仅控制着材料的力学性状, 而且对材料的若干物理性质(如导电性、导热性等) 有直接的影响, 故在冶金物理学和材料科学领域里逐渐发展了晶体缺陷理论。在地学界, 近10多年来人们开始认识到晶体的塑性变形完全取决于晶体缺陷, 即矿物岩石在塑性流动过程中晶体缺陷起着控制性的作用。70年代随着离子减薄技术的应用, 为电子显微镜作为倍数极高的矿物岩相学观察工具提供了先决条件, 也为天然变形矿物晶体缺陷和塑性流动的研究开辟了新的途径。然而, 目前晶体缺陷在地质科学中的应用研究成果还很少, 主要以金属中的为主。众所周知, 晶体是由离子、原子或分子有规律地排列而构成的, 这种晶体称为完整晶体。但是, 在实际晶体中, 晶体质点的规律排列或多或少会在某些微区遭到破坏, 称为晶体缺陷。根据缺陷在晶体中分布的几何特点, 可将其分为3大类, 即点缺陷、线缺陷和面缺陷。如果这些缺陷是在晶体生长过程中产生
的, 称为生长缺陷; 如果是在应力作用下晶体发生变形时产生的, 则称为变形晶体缺陷。一般来说, 生长缺陷的密度与形成时的环境有关, 变形引起的晶体缺陷的密度与变形时作用力的大小有密切的关系; 生长缺陷的密度一般比较低, 而变形晶体缺陷的密度较高且普遍存在。
2. 晶体缺陷的定义和分类
(1)晶体缺陷的定义
在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。
(2) 晶体缺陷的分类
按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。1.点缺陷（零维缺陷）
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。
2..线缺陷（一维缺陷）
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。包括螺型位错与刃型位错等各类位错，线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
3.面缺陷
面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。包括晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
4.体缺陷
也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。
按缺陷产生的原因分类：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。
1.热缺陷热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect）
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加
2.杂质缺陷
定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。
特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。
3.非化学计量缺陷
定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。
特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。
3．晶体缺陷对材料性能的影响
（1）点缺陷对材料性能的影响
晶体中点缺陷的不断无规则运动和空位与间隙原子不断产生与复合是晶体中许多物理过程如扩散、相变等过程的基础。空位是金属晶体结构中固有的点缺陷，空位会与原子交换位置造成原子的热激活运输，空位的迁移直接影响原子的热运输，从而影响材料的电、热、磁等工程性能。晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体内能升高，增加了晶体热力学不稳定性，另一方面增大了原子排列的混乱程度，改变了周围原子的振动频率。使熵值增大使晶体稳定。矛盾因素使晶体点缺陷在一定温度下有一定平衡数目。在一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等。
1. 比容:为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，导致晶体体积增大
2．比热容:由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。
3．电阻率:金属的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。
4. 密度的变化：对一般金属，辐照引起体积膨胀，但是效应不明显，一般变化很少超过0.1~0.2%，这种现象可以用弗仑克尔缺陷来描述
5. 电阻：增加电阻，晶体点阵的有序结构被破坏，使原子对自由电子的散射效果提升。一般可以通过电阻分析法莱追踪缺陷浓度的变化
6．晶体结构：辐照很显著地破坏了合金的有序度，而且一些高温才稳定的相结构可以保持到室温
7．力学性能：辐照引起金属的强化和变脆（注，空位使晶格畸变类似置换原子引起的）。
此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩散系数，内耗，介电常数等，在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩，这种点缺陷称为色心。
（2）线缺陷对材料性能的影响
位错是一种及重要的晶体缺陷，他对金属的塑性变形，强度与断裂有很重要的作用，塑性变形就其原因就是位错的运动，而强化金属材料的基本途径之一就是阻碍位错的运动，另外，位错对金属的扩散、相变等过程也有重要影响。所以深入了解位错的基本性质与行为，对建立金属强化机制将具有重要的理论和实际意义。金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较小，则材料强度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材
料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。因此，要想增加材料的强度就要通过诸如：细化晶粒（晶粒越细小晶界就越多，晶界对位错的运动具有很强的阻碍作用）、有序化合金、第二相强化、固溶强化等手段使金属的强度增加。以上增加金属强度的根本原理就是想办法阻碍位错的运动。
（3）面缺陷对材料性能的影响
1. 面缺陷的晶界处点阵畸变大，存在晶界能，晶粒长大与晶界平直化使晶界米面积减小，晶界总能量降低，这两过程通过原子扩散进行，随温度升高与保温时间增长，有利于这两过程的进行。
2. 面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化，而高温下刚好相反，高温下晶界又粘滞性，使相邻晶粒产生相对滑动。
3. 面缺陷处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，晶界处也有较多缺陷，故晶界处原子的扩散速度比晶内快
4. 固态相变中，晶界能量较高，且原子活动能力较大，新相易于在晶界处优先形核，原始晶粒越细，晶界越多，新相形核率越大。
5．由于成分偏析和内吸附现象，晶界富集杂质原子情况下，晶界熔点低，加热过程中，温度过高引起晶界熔化与氧化，导致过热现象。
6. 晶界处能量较高，原子处于不稳定状态，及晶界富集杂质原子的缘故，晶界腐蚀速度较快。
（4）缺陷对半导体性能的影响
硅、锗等第4族元素的共价晶体绝对零度时为绝缘体，温度刀·高导电率增加但比金属的小得多，称这种晶体为半导体。晶体呈现半导体性能的根本原因是填满电子的最高能带与导带之间的禁带宽度很窄，温度升高部分电子可以从满带跃迁到导带成为传导电子。晶体的半导体性能决定于禁带宽度以及参与导电的载流子(电子或空穴)数目和它的迁移率。缺陷影响禁带宽度和载流子数目及迁移率，因而对晶体的半导体性能有严重影响。
1. 缺陷对半导体晶体能阶的影响
硅和锗本征半导体的晶体结构为金刚石型。每个原子与四个近邻原子共价结合。杂质原子的引入或空位的形成都改变了参与结合的共价电子数目，影响晶体的能价分布。
有时为了改善本征半导体的性能有意掺入一些三、五族元素形成掺杂半导体；而其他点缺陷如空位或除三，五族以外的别的杂质原子原则上也会形成附近能阶。位错对半导体性能影响很大，但目前只对金钢石结构的硅、锗中的位错了解得较多一点。
2. 缺陷对载流子数目的影响
点缺陷使能带的禁带区出现附加能阶，位错本身又会起悬浮键作用，它起着施主或受主的作用，另外位错俘获电子使载流子数目减少，所以半导体中实际载流子数目减少。
由于晶体缺陷对半导体材料的影响，故可以在半导体材料中有以下应用
1.过量的Zn 原子可以溶解在ZnO 晶体中，进入晶格的间隙位置，形成间隙型离子缺陷，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现出带电性。但这两个电子是亚稳定的，很容易被激发到导带中去，成为准自由电子，使材料具有半导性。
2.Fe3O4 晶体中，全部的Fe2+离子和1/2 量的Fe3+离子统计地分布在由氧离子密堆所构成的八面体间隙中。因为在Fe2+ — Fe3+ — Fe2+ — Fe3+—……之间可以迁移，Fe3O4 是一种本征半导体。
3.常温下硅的导电性能主要由杂质决定。在硅中掺入VA 族元素杂质（如P、As、Sb 等）后，这些VA 族杂质替代了一部分硅原子的位置，但由于它们的最外层有5个价电子，其中4 个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子。这样一个VA 族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体被成为n 型半导体。
4.在 BaTiO3 陶瓷中，人们常常加入三价或五价杂质来取代Ba2+离子或Ti4+离子来形成n 型半导瓷。例如，从离子半径角度来考虑，一般使用的五价杂质元素的离子半径是与Ti4+离子半径（0.064nm）相近的，如Nb5+=0.069nm，Sb5+=0.062nm，它们容易替代Ti4+离子；或者使用三价元素，如La3+=0.122nmCe3+=0.118nm，Nd3+=0.115nm，它们接近于Ba2+离子的半径（0.143nm），因而易于替代Ba2+离子。由此可知，不管使用三价元素还是五价元素掺杂，结果大都形成高价离子取代，即形成n 型半导体。
（5）位错对铁磁性的影响
只有过渡族元素的一部分或其部分化合物是铁磁性材料。物质的铁磁性要经过外磁场的磁化作用表现出来。能量极小原理要求磁性物质是由磁矩取向各异的磁畴构成。一般说来加工硬化降低磁场H的磁化作用，磁畴不可逆移动开始的磁场Ho (起始点的磁场强度)升高，而加工则使物质的饱和磁化强度降低。
4 结语
缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，表面化学活性，化学能等等。其实正是有了缺陷金属材料才能有着我们需要的良好的使用性能，比如人工在半导体材料中进行掺杂，形成空穴，可以极大地提高半导体材料的性能。总之影响非常大，但是如果合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能，
材料缺陷对材料性能的影响 女神维纳斯因为她的“无臂”之美而广为人知，但是在日常的生产生活中，人们更追求的是无误差的完美。那么究竟缺陷能够在材料中造成什么影响呢，在此我将进行简单的概述。 材料具有多种性能，大致分为两类，一是使用性能，包括力学性能、物理性能和化学性能等；二是工艺性能，例如铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性以及热处理性等等。在我们生产中经常用到的材料，其性能常常因为微观上小小的差异而变得迥然不同。我们就理想型的完整晶体进行对于材料缺陷对材料性能的影响的研究与探索。 晶体缺陷：在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。 晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。 点缺陷：是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原子 在一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等 比容的定义:为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，这就导致晶体体积增加。 比热容的定义:由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。 电阻率:金属的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。 此外，点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。”在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩。这种点缺陷便称为色心。
第三章晶体中的缺陷 第一节概述 一、缺陷的概念 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。因此目前(至少在80年代以前>人们理解的“固体物理”主要是指晶体。当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在晶体理论发展中，空间点阵的概念非常重要。 空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。 严格地说对称性是一种数学上的操作，它与“空间群”的概念相联系，对它的描述不属本课程内容。但是，从另一个角度来理解晶体的平移对称性对我们今后的课程是有益的。 所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。考虑二维实例，如图3-1所示。 图3-1 平移对称性的示意图 在上面的例子中，以一个基元在二维方向上平移完全能复制所有的点，无一遗漏。这种情况，我们说具有平移对称性。这样的晶体称为“理想晶体”或“完整晶体”。
图3-2 平移对称性的破坏 如果我们对上述的格点进行稍微局部破坏，那么情况如何?请注意以下的复制过程，如图3-2所示。从图中我们看出：因为局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵。这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。 晶体缺陷的产生与晶体的生长条件，晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工艺等有关。事实上，任何晶体即使在绝对零度都含有缺陷，自然界中理想晶体是不存在的。既然存在着对称性的缺陷，平移操作不能复制全部格点，那么空间点阵的概念似乎不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体理论的基石不再牢固。 幸运的是，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。作为一种统计，一种近似，一种几何模型，我们仍然继承这种学说。因为缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量(这指的是通常的情况）。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17，充分退火后Fe 中的位错密度为1012m-2<空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。现在你对这些数量级的概念可能难以接受，那没关系，你只须知道这样的事实：从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。 因此，整体上看，可以认为一般晶体是近乎完整的。因而对于实际晶体中存在的缺陷可以用确切的几何图形来描述，这一点非常重要。它是我们今后讨论缺陷形态的基本出发点。事实上，把晶体看成近乎完整的并不是一种凭空的假设，大量的实验事实 材料科学基础 第零章材料概论 该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。 主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。 材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。 按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料 金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、 Cu、Ni等。原子之间的键合方式是金属键。陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。它可以是晶体、非晶体或混合晶体。原子之间的键合方式是离子键，共价键。 聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。原子的键合方式通常是共价键。 复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。其原子间的键合方式是混合键。 材料选择： 密度 弹性模量:材料抵抗变形的能力 强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。 韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本 结构(Structure) 性质(Properties) 加工(Processing) 使用性能(Performance) 在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。 宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构 重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。 第一章材料结构的基本知识 1.引言 材料的组成不同，性质就不同。 同种材料因制备方法不同，其性能也不同。这是与材料的内部结构有关：原子结构、原子键合、原子排列、显微组织。 原子结构 主量子数n 材料缺陷对材料性能 的影响 材料缺陷对材料性能的影响 女神维纳斯因为她的“无臂”之美而广为人知，但是在日常的生产生活中，人们更追求的是无误差的完美。那么究竟缺陷能够在材料中造成什么影响呢，在此我将进行简单的概述。 材料具有多种性能，大致分为两类，一是使用性能，包括力学性能、物理性能和化学性能等；二是工艺性能，例如铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性以及热处理性等等。在我们生产中经常用到的材料，其性能常常因为微观上小小的差异而变得迥然不同。我们就理想型的完整晶体进行对于材料缺陷对材料性能的影响的研究与探索。 晶体缺陷：在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。 晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。 点缺陷：是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原子 在一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等 比容的定义:为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，这就导致晶体体积增加。 比热容的定义:由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。 电阻率:金属的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。 此外，点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。”在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩。这种点缺陷便称为色心。 《材料科学基础》教学教案 导论 一、材料科学的重要地位 生产力发展水平，时代发展的标志 二、各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 电子材料、光电子材料和超导材料 三、材料性能与内部结构的关系 原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义 第一章材料结构的基本知识 §1-1 原子结构 一、原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理 二、元素周期表及性能的周期性变化 §1-2 原子结合键 一、一次键 1．离子键 2．共价键 3．金属键 二、二次键 1．范德瓦尔斯键 2．氢键 三、混合键 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能 §1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法 §1-4 晶体材料的组织 一、组织的显示与观察 二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织 §1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构 亚稳态结构 阿累尼乌斯方程 第二章材料中的晶体结构 §2-1 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 空间点阵，阵点（结点） 晶格、晶胞 坐标系 二、晶系和布拉菲点阵 7个晶系 14个布拉菲点阵 表2-1 三、晶向指数和晶面指数 1．晶向指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法，换算 4．晶面间距 密排面间距大 5．晶带 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合 晶带定律：hu+kv+lw=0 ●晶向指数和晶面指数确定练习，例题 §2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 1．原子的堆垛方式 面心立方：ABCABCABC—— 密排六方：ABABAB—— 2．点阵常数 3．晶胞中的原子数 4．配位数和致密度 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数 5．晶体结构中的间隙 四面体间隙，八面体间隙 二、多晶型性 α-Fe, γ-Fe, δ-Fe 例： 碳在γ-Fe 中比在α-Fe中溶解度大 晶界对合金性能的影响机理 晶界是固体材料中的一种面缺陷，根据晶界角度的大小可以分为小角晶界（θ<10°）和大角晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°，多晶体中90％以上的晶界属于大角度晶界。根据晶界上原子匹配优劣程度可以分为重位晶界和混乱晶界。在晶界处存在一些特殊的性质：（1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行；（2）晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化；高温下则由于晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动；（3）晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多；（4）在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高；（5）由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生；（6）由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因；（7）低温下晶界强度比晶粒内高，高温下晶界强度比晶内低，表现为低温弱化。 基于上述几点晶界的特殊性质，使得多晶材料的塑性变形、强度、断裂、脆性、疲劳和蠕变等性能与单晶材料相比存在很大差异，即晶界不同的特殊性质具体体现在了合金的不同性能。但合金性能与晶界特性间绝不是一一对应的关系，而是几种甚至是所有特性的共同作用而表现出来，不同成分的合金在性能上也表现出各异。 1 晶界与塑性变形 晶界对多晶体的塑性变形的影响起因于下述原因:①晶界对滑移的阻碍作用；②晶界引起多滑移；③晶界滑动；④晶界迁移；⑤晶界偏聚。 材料微观缺陷对材料性能的影响 随着社会的发展、时代的进步，人们的生活水平不断提高，生活品质也进一步提升，这对于材料的要求也不断地提高。这促使人们不断的深入研究材料的微观晶体结构，通过各种手段改善材料的各个方面的性能。晶体的生长、性能以及加工等无一不与缺陷紧密相关。因为正是这千分之一、万分之一的缺陷，对晶体的性能产生了不容小视的作用。这种影响无论在微观或宏观上都具有相当的重要性。 研究人员希望材料的晶体是理想的完整晶体，但是所有的自然和人工晶体不是理想晶体完整的，他们的许多特性并非由规则的原子排列决定，而是由不规则排列的晶体缺陷而决定。金属物理学家在研究金属的加工变形时就发现了晶体缺陷与金属的变形行为及力学性质有密切的关系。后来，材料科学家发现这类缺陷不仅控制着材料的力学性状，而且对材料的若干物理性质（如导电性、导热性等）有直接的影响，材料科学领域里逐渐发展了晶体缺陷理论，近10多年来人们开始认识到晶体的塑性变形完全取决于晶体缺陷。这些都是重要的生产、研究内容。那么材料的微观结构缺陷究竟对于材料的性能有哪些影响呢？本文将围绕此问题进行阐述。 一、什么是晶体缺陷？ 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。人们理解的“固体物理”主要是指晶体。在空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。严格地说对称性是一种数学上的操作，它与“空间群”的概念相联系，所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。 在我们讨论晶体结构时，认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。 二、晶体中有哪些常见的缺陷类型？ 缺陷是一种局部原子排列的破坏。按照破坏区域的几何形状，缺陷可以分为四类点缺陷、缺陷、面缺陷和体缺陷。 点缺陷：又称零维缺陷，缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），典型代表有空位、间隙原子等。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 线缺陷：又称一维缺陷，指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生 材料科学基础名词解释 第一章晶体学基础 空间点阵晶体中原子或原子集团排列的周期性规律，可以用一些在空间有规律分布的几何点来表示，这样的几何点集合就构成空间点阵。 （每个几何点叫结点；每个结点周围的环境相同，则都是等同点。） 晶格在三维空间内表示原子或原子集团的排列规律的结点所构成的阵列，设想用直线将各结点连接起来，就形成空间网络，称为晶格。 晶胞空间点阵可以看成是由最小的单元——平行六面体沿三维方向重复堆积而成，这样的平行六面体就叫晶胞。 晶系按照晶胞的大小和形状的特点（点阵的对称性）对晶体进行的分类。 晶格常数（点阵常数）决定晶胞形状和大小的6个参数。 布拉维点阵结点都是等同点的点阵就叫布拉维点阵。 晶面穿过晶体的原子面称为晶面。 晶向连接晶体中任意原子列的直线方向称为晶向。 晶面(间)距两个相同晶面间的垂直距离。 晶面族在高度对称的晶体中，特别是在立方晶体中，往往存在一些位向不同、但原子排列情况完全相同的晶面，这些晶体学上等价的晶面就构成一个晶面族。 晶向族……晶体学上等价的晶向构成晶向族。 配位数晶体结构中一个原子周围的最近邻且等距离的原子数。 堆垛密度/紧密系数/致密度晶胞中各原子的体积之和与晶胞的体积之比。 晶体是具有点阵结构的，由长程有序排列的原子、离子、分子或配位离子等组成的固体。 非晶体是无点阵结构的和长程有序排列的结构基元组成的固体。 晶体结构指晶体中原子在三维空间排列情况。 *同素异构体化合物有相同的分子式，但有不同的结构和性质的现象。 原子半径包括共价半径：两原子之间以共价键键合时，两核间距离的一半，实际上核间距离是共价键的键长。金属半径：金属晶体中相邻两金属原子核间距离的一半。范德瓦尔斯半径：靠范德华力相互吸引的相邻不同分子中的两个相同原子核间距离的一半。 晶体原子数某一晶体结构的一个晶胞中所含有的原子个数。 第二章固体材料的结构 结合键指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。 离子键当一正电性元素和一负电性元素相接触时，由于电子一得一失，使它们各自变成正离子和负离子，二者靠静电作用相互结合起来的化学键。 共价键由俩个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。 金属键自由电子与原子核之间静电作用而产生的键合力。 分子键又称范德华力，由瞬间偶极矩和诱导偶极矩产生的分子间引力所构成的物理键。 合金两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合 内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构， 用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。介绍了实际晶体中点缺陷分 类；缺陷符号和反应平衡。固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化 合物的形成条件。简述了刃位错和螺位错。 硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4， 非桥氧数由4减至0。硅离子是高点价低配位的阳离子。因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。 表2-1 Array硅酸 盐晶 体的 结构 类型 真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。 点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类： （1）热缺陷（又称本征缺陷） 热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。 弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。 肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 （2）杂质缺陷（非本征缺陷） （3）非化学计量化学化合物 为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。 表2-2 Kroger-Vink缺陷符号（以M2+X2-为例） 点缺陷对材料加工的影响 摘要：随着航天航空、能源、汽车、电子和国防等领域尖端科学技术的持续发展，材料的服役环境也正变得越来越复杂，在它们的使用过程中很可能会出现大量的微裂纹、微孔洞等微缺陷。这些缺陷不论是出现在材料的生产制备阶段还是在材料的服役过程中，都对材料的动态响应以及层裂损伤过程有着重要的影响。点缺陷不仅在材料中普遍存在，而且又是最简单的一种缺陷形式，在实验中相对较易控制。 1.晶体缺陷筒介 1.1缺陷的含义 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。在理想晶体结构中，所有的质点严格按照空间点阵排列，处于平衡位置上。然而，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系，这样便会产生晶体结构缺陷。 1.2缺陷的分类 按缺陷的几何形状和涉及的范围，可以把晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，其中点缺陷为最基本形式，其他的晶体缺陷都可以看成是由点缺陷构成的。点缺陷又称零维缺陷，指缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。点缺陷包括空位、间隙质点、杂质质点三类。正常结点位没有被原子或离子所占据，形成空结点，称为空位；原子或离子进入到晶体中正常结点之间的间隙位置，称为间隙质点；外来原子或离子进入晶格成为晶体中的杂质，这些杂质原子或离子可以取代原来晶格中的原子或离子而进入正常结点的位置，称为取代原子或离子，也可以进入本来就没有原子的间隙位置生成间隙式杂质质点。 1.3点缺陷产生的方式 一般有两种方式：平衡点缺陷和过饱和点缺陷。前者点缺陷浓度与温度密切相关，点缺陷属于热力学平衡的缺陷，后者通常有外来作用参与，如猝火和辖照等。 根据产生缺陷的原因，晶体缺陷也可分为三类：热缺陷、杂质缺陷和非化学计量结构缺陷。热缺陷：当晶体的温度高于绝对零度时，由于晶格内原子的热运动会使一部分能量较大的原子离开平衡位置而造成缺陷，这类缺陷称为热缺陷。 热缺陷有两种基本形式：杂质缺陷和非化学计量缺陷； 杂质缺陷是指由于外来原子进入晶体而产生的缺陷，分为间隙杂质原子和置换杂质原子，杂质缺陷的浓度与温度无关；非化学计量结构缺陷是指化学组成会明显的随着周围环境气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，由此产生的晶体缺陷称为非化学计量缺陷，它是产生型半导体和型半导体的重要基础。 研宄表明，在绝对零度以上，任何物质晶体中均存在点缺陷。当点缺陷的浓度（原子分数）较小时，点缺陷彼此分立存在；当点缺陷浓度增加时，点缺陷将发生相互作用形成复杂的缺陷团簇。晶体中这类呈热力学平衡态且不被任何热处理或退火过程所消除的缺陷叫做本征点缺陷。 杂质点缺陷是由外来杂质进入晶体之中而产生的缺陷。任何物质晶体都不可能达到纯净，总会掺杂其他成分，因此杂质缺陷也是材料中不可避免的一种重要缺陷形式。 2.点缺陷对材料加工的影响 谷万里等对304不锈钢精密铸件进行研究，发现其内部出现的不规则截面点缺陷数量较少, 截面形状不规则, 尺寸在 0.01～0.1 mm 之间, 主要成分为碳、氧、铬、铁和镍, 其中碳元素含量较高。该类缺陷的形成主要由于在脱蜡过程中蜡料有剩余, 燃烧后生成碳化物, 其防止措施是在脱蜡过程中注意死角部位的完全脱蜡。对于圆形截面点缺陷, 数量较多, 截面呈 缺陷对材料性能的影响 技术探讨 2009-09-11 22:27:34 阅读35 评论0 字号：大中小订阅 在一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等 比容的定义:为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，这就导致晶体体积增加。 比热容的定义:由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。 电阻率:金属的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。 此外，点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。”在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩。这种点缺陷便称为色心。 在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只是通过和位错交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺陷和挤塞子，会引起晶体显著硬化和脆化。这种现象称为辐照硬化。 缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。 化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，表面化学活性，化学能等等。 总之影响非常大，但是如果合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能，比如人工在半导体材料中进行掺杂，形成空穴，可以极大地提高半导体材料的性能。 首先，金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较小，则材料强度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。因此，要想增加材料的强度就要通过诸如：细化晶粒（晶粒越细小晶界就越多，晶界对 粘度对泵的性能有显著影响及泵的各自优缺点 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 粘度对泵的性能有显著影响，粘度取值范围应按照制造厂商的建议。离心泵性能取决于叶轮设计，粘度对泵的设计性能的影响，在变容泵中较离心泵影响更大，因此不允许粘度有大的变化。粘度增大对泵的影响见表1。 表1 粘度SUS1002505007501000 流量降低率%38141923 扬程降低率%25111418 功率增加率%1020305065 各种泵的优点见表2。 表2 离心泵1.在较高速度下运转能增加流量，因此规格较小且成本较低 2.输送液体不受压力波动的影响 3.在最小流量下运行而不会超过系统压力 4.在最大流量下运行而电机不会过载 5.各种类型可与各种系统要求相匹配 6.由于没有振动，可用简单的基础 7.适用于输送各种稀浆 8.能直接驱动 往复泵1.运行效率高 2.在恒速下传递变化的压力 3.产生瞬间压力峰值可消除输送管线的阻塞 4.启动时不用灌水，免去了夹杂空气的麻烦 转子泵1.连续输送，压力波动较小 2.输送液体粘度变化范围较宽 3.启动时不用灌水 离心泵、往复泵和转子泵常见故障及排除方法分别见表3、表4和表5。 表3 离心泵常见故障及排除方法 故障原因排除方法 泵不运行电机不转 连接键被切断 传动带打滑 联轴器失效 检查保险丝和断路器 更换 检查并调整 检查是否打滑或损坏，必要时更换 检查，必要时更换 轴或齿轮切断 泵不能启动 进口阀关闭 进口阻塞或受阻 吸入侧漏气 液体排空或系统 有虹吸 叶轮磨损 打开阀门 检查并清理干净 更换密封件；检查管路泄漏处 安装挡水阀或底阀以防止排空 检查和更换；提高泵速；安装底阀 无排量 没有加水启动，见 上条 吸上高度过高 出口压头过高 速度太低 泵运转受阻 旋转方向错误 气阻 打开排气开关排出空气，并用液体完全充满泵和 吸入管 检查泵入口阻塞情况，检查吸入压头 检查有关的阀是否打开；检查管路是否堵塞；检 查总压头 检查泵转速 检查叶轮是否阻塞 纠正旋转方向 抽吸吸入管以清洁气闸；检查吸入管浸没深度是 否适当 无排量溢流阀调节不当 漏气 检查调节；清除阀体污物 检查密封件；检查管线漏气之处 流量不足 漏气检查吸入管路和泵漏气之处；检查泵填料 气阻 检查NPSH(泵的净吸压头)和液体温度，使吸入管 路中液体没有自蒸发 净压头低或损耗同上，并检查吸入管和底阀 过滤器阻塞检查并清洁 进气口阻力过大 检查吸入管路是否过小或接头太多而增加了液体 阻力 溢流阀调整不正 确或阻塞 检查和调整 系统背压过大降低系统阻力 叶轮磨损检修和更换 耐磨环磨损检修和更换 旋转方向错误检查旋转方向 吸入管有堵塞物检查底阀是否满足要求；消除堵塞物 泵的型号不对检查泵型号规格 吸入不足检查吸入管浸没深度和位置是否适当 表4 往复泵常见故障及排除方法 第二部分简答题 第一章原子结构 1、原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】 答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。 （2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。因此，七熔点和硬度均较高。离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。 （3）共价键：有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。 （4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。 （5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。 2、陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。【模拟题一】 答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键。由于离子键和共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。 第二章固体结构 1、为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵？【11年真题】 答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境。密排六方晶体结构位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。 2、为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？【模拟题一】 答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。溶质与溶剂原子尺寸相差较大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度越小。一般来说，间隙固溶体中溶质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。 3、试证明四方晶系中只有简单四方点阵和体心四方点阵两种类型。【模拟题三】 答：可以作图加以说明。四方晶系表面也含有简单四方、底心四方、面心 第四章 4. 画图并叙述形变过程中位错增殖的机制。 答：课本P341-342 F-R 增殖机制 5. 位错具有较高的能量，因此它是不稳定的，除了位错之间能发生交互作用外，还常发生位错反应。请判断下列位错反应能否进行： （1）]111[3 ]211[6]110[2a a a →+- （2）]111[2 ]111[6]112[3a a a →+ 答：从几何条件和能量条件两方面来分析。 （1） 几何条件：反应后][3]21[6]110[2a a a =+-，与反应前一致，满足几何条件 能量条件：反应前 32)12)1(6())1(012(2222222222 a a a b =++-+-++=∑ 反应后 323))1(113(2222222 a a a b <=-++=∑ 此反应既满足能量条件有满足几何条件，故可以进行。 （2）几何条件：反应后]111[2]111[6]112[3a a a =+，与反应前一致，满足几何条件 能量条件：反应前 43))1(116()2113(2222222222 a a a b =-+++++=∑ 反应后 反应前==++=∑43)1112(2 22222 a a b 此反应不满足能量条件，只满足几何条件，故不能进行。 第五章 1. 下图所示为经简化了的铁碳合金相图： （1）请在图中空白区域标出各相区的相(写在圆括号内)； （2） 写出A 、G 、S 、P 、C 、E 点各自代表的意义； （3） 写出GS 线、ES 线、PSK 线代表的含义； （4） 分析w c ＝0.77％（虚线①）的铁—碳合金从液态平衡冷却至室温的结晶过 程，并计算室温时两相的相对含量；分析wc ＝4.30％（虚线②）的铁— 晶体微观缺陷对材料性能的影响 一、什么是晶体缺陷？ 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。人们理解的“固体物理”主要是指晶体。在空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。严格地说对称性是一种数学上的操作，它与“空间群”的概念相联系，所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。 在我们讨论晶体结构时，认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。 二、晶体中有哪些常见的缺陷类型？ 缺陷是一种局部原子排列的破坏。按照破坏区域的几何形状，缺陷可以分为四类点缺陷、缺陷、面缺陷和体缺陷。 点缺陷：又称零维缺陷，缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），典型代表有空位、间隙原子等。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 线缺陷：又称一维缺陷，指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。包括螺型位错与刃型位错等各类位错，线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 面缺陷：又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。包括晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 体缺陷：又称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 然而，按缺陷产生的原因分类，又可以分为：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。 热缺陷：又称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect） 热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加 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 e different actual needs and the development o f The demand of Times.o f people.This paper focuses on expoundin g the influence and the applica tion of the crystal defect and its impact on the crystal. Keyword crystal defect property 1. 引言 很早以前, 金属物理学家在研究金属的加工变形时就发现了晶体缺陷与金属的变形行为及力学性质有密切的关系。后来, 材料科学家发现这类缺陷不仅控制着材料的力学性状, 而且对材料的若干物理性质(如导电性、导热性等) 有直接的影响, 故在冶金物理学和材料科学领域里逐渐发展了晶体缺陷理论。在地学界, 近10多年来人们开始认识到晶体的塑性变形完全取决于晶体缺陷, 即矿物岩石在塑性流动过程中晶体缺陷起着控制性的作用。70年代随着离子减薄技术的应用, 为电子显微镜作为倍数极高的矿物岩相学观察工具提供了先决条件, 也为天然变形矿物晶体缺陷和塑性流动的研究开辟了新的途径。然而, 目前晶体缺陷在地质科学中的应用研究成果还很少, 主要以金属中的为主。众所周知, 晶体是由离子、原子或分子有规律地排列而构成的, 这种晶体称为完整晶体。但是, 在实际晶体中, 晶体质点的规律排列或多或少会在某些微区遭到破坏, 称为晶体缺陷。根据缺陷在晶体中分布的几何特点, 可将其分为3大类, 即点缺陷、线缺陷和面缺陷。如果这些缺陷是在晶体生长过程中产生 金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 T R k ?∝1可知当过冷度T ?为零时临界晶核半径R k 为无穷大，临界形核功（21T G ?∝?）也为无穷大。临界晶核半径R k 与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。 基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 相律：f = c – p + 1其中，f 为 自由度数，c 为 组元数，p 为 相数。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。 合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。 四、铁碳合金 重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算。 基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。 钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的材料科学基础知识点
材料缺陷对材料性能的影响讲课讲稿
《材料科学基础》教学教案
晶界对性能的影响
材料微观缺陷对材料性能的影响
材料科学基础 名词解释
第二章晶体结构与晶体中的缺陷
点缺陷对材料加工的影响
缺陷对材料性能的影响
粘度对泵的性能有显著影响及泵的各自优缺点
材料科学基础简答题
材料科学基础答案2
晶体微观缺陷对材料性能的影响
晶体缺陷及其材料性能的影响
材料科学基础知识点总结
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