材料微觀缺陷對(duì)材料性能的影響.docx

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1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)材料微觀缺陷對(duì)材料性能的影響隨著社會(huì)的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步，人們的生活水平不斷提高，生活品質(zhì)也進(jìn)一步提升，這對(duì)于材料的要求也不斷地提高。這促使人們不斷的深入研究材料的微觀晶體結(jié)構(gòu)，通過各種手段改善材料的各個(gè)方面的性能。晶體的生長、性能以及加工等無一不與缺陷緊密相關(guān)。因?yàn)檎沁@千分之一、萬分之一的缺陷，對(duì)晶體的性能產(chǎn)生了不容小視的作用。這種影響無論在微觀或宏觀上都具有相當(dāng)?shù)闹匾?。研究人員希望材料的晶體是理想的完整晶體，但是所有的自然和人工晶體不是理想晶體完整的，他們的許多特性并非由規(guī)則的原子排列決定，而是由不規(guī)則排列的晶體缺陷而決定。金屬物理學(xué)家在研究金屬的加工變形時(shí)就發(fā)現(xiàn)了晶

2、體缺陷與金屬的變形行為及力學(xué)性質(zhì)有密切的關(guān)系。后來，材料科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這類缺陷不僅控制著材料的力學(xué)性狀，而且對(duì)材料的若干物理性質(zhì)（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等）有直接的影響，材料科學(xué)領(lǐng)域里逐漸發(fā)展了晶體缺陷理論，近10多年來人們開始認(rèn)識(shí)到晶體的塑性變形完全取決于晶體缺陷。這些都是重要的生產(chǎn)、研究內(nèi)容。那么材料的微觀結(jié)構(gòu)缺陷究竟對(duì)于材料的性能有哪些影響呢？本文將圍繞此問題進(jìn)行闡述。一、什么是晶體缺陷？大多數(shù)固體是晶體，晶體正是以其特殊的構(gòu)型被人們最早認(rèn)識(shí)。人們理解的“固體物理”主要是指晶體。在空間點(diǎn)陣中，用幾何上規(guī)則的點(diǎn)來描述晶體中的原子排列，并連成格子，這些點(diǎn)被稱為格點(diǎn)，格子被稱為點(diǎn)陣，這就是空間點(diǎn)陣的基

3、本思想，它是對(duì)晶體原子排列的抽象?？臻g點(diǎn)陣在晶體學(xué)理論的發(fā)展中起到了重要作用。可以說，它是晶體學(xué)理論的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代的晶體理論基于晶體具有宏觀平移對(duì)稱性，并因此發(fā)展了空間點(diǎn)陣學(xué)說。嚴(yán)格地說對(duì)稱性是一種數(shù)學(xué)上的操作，它與“空間群”的概念相聯(lián)系，所謂平移對(duì)稱性就是指對(duì)一空間點(diǎn)陣，任選一個(gè)最小基本單元，在空間三維方向進(jìn)行平移，這個(gè)單元能夠無一遺漏的完全復(fù)制所有空間格點(diǎn)。在我們討論晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，認(rèn)為晶體的結(jié)構(gòu)是三維空間內(nèi)周期有序的，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)按照一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列。這是一種理想的完美晶體，它在現(xiàn)實(shí)中并不存在，只作為理論研究模型。相反，偏離理想狀態(tài)的不完整晶體，即有某些缺陷的晶體，具有重要的理論研究意義和實(shí)

4、際應(yīng)用價(jià)值。在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，所有的原子、離子或分子都處于規(guī)則的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的位置上，也就是平衡位置上。1926年Frenkel首先指出，在任一溫度下，實(shí)際晶體的原子排列都不會(huì)是完整的點(diǎn)陣，即晶體中一些區(qū)域的原子的正規(guī)排列遭到破壞而失去正常的相鄰關(guān)系。我們把實(shí)際晶體中偏離理想完整點(diǎn)陣的部位或結(jié)構(gòu)稱為晶體缺陷。二、晶體中有哪些常見的缺陷類型？缺陷是一種局部原子排列的破壞。按照破壞區(qū)域的幾何形狀，缺陷可以分為四類點(diǎn)缺陷、缺陷、面缺陷和體缺陷。點(diǎn)缺陷：又稱零維缺陷，缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，在三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度），典型代表有空位、間隙原子等。點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光

5、學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過程等有關(guān)。線缺陷：又稱一維缺陷，指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生4材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。包括螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)等各類位錯(cuò)，線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。面缺陷：又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。包括晶界、相界、表面、堆積層錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。體缺陷：又稱為三維缺陷，指晶體中在三維方向上相對(duì)尺度比較大的缺陷，和基質(zhì)晶體已經(jīng)不屬于同一物相，是異相缺陷。固體

6、材料中最基本和最重要的晶體缺陷是點(diǎn)缺陷，包括本征缺陷和雜質(zhì)缺陷等。然而，按缺陷產(chǎn)生的原因分類，又可以分為：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷、其它原因（如電荷缺陷，輻照缺陷等）。熱缺陷：又稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。弗侖克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖脫基缺陷（Schottkydefect）熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時(shí)，熱缺陷濃度增加雜質(zhì)缺陷：又稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。特征:如果雜質(zhì)的含量在固溶體的溶解度范圍內(nèi)，則雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。非化學(xué)計(jì)量缺陷：指組成上偏離化學(xué)中的定比定律所形成的缺陷。它是由基質(zhì)晶體與介

7、質(zhì)中的某些組分發(fā)生交換而產(chǎn)生。其特點(diǎn)是：化學(xué)組成隨周圍氣氛的性質(zhì)及其分壓大小而變化。一、缺陷對(duì)材料的性能有何影響？以下將按照破壞區(qū)域的幾何形狀對(duì)晶體缺陷的分類來具體介紹晶體的缺陷對(duì)材料性質(zhì)的影響。（1）點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響晶體中點(diǎn)缺陷的不斷無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和空位與間隙原子不斷產(chǎn)生與復(fù)合是晶體中許多物理過程如擴(kuò)散、相變等過程的基礎(chǔ)?？瘴皇墙饘倬w結(jié)構(gòu)中固有的點(diǎn)缺陷，空位會(huì)與原子交換位置造成原子的熱激活運(yùn)輸，空位的遷