材料科学基础第五章

第五章晶体缺陷一、学习目的材料的性质决定于其组成原子的性质及其结构（原子空间位置和相互作用关系）。绝对理想化的晶体材料由于其原子性质和结构都是唯一确定的，所以其性质也是唯一确定的。这样一来材料理想化晶体材料的性质就非常容易研究，材料世界中也会非常单调古板。庆幸的是实际材料中存在很多对理想晶体的偏离（所谓晶体缺陷）。这些偏离使实际材料的性质产生了许多变数，造就了我们面前的多彩的材料世界。可以说材料的性质决定于其中晶体缺陷的种类和分布（结构）。因此材料科技工作者必须要掌握材料中已知缺陷的种类、性质、结构、表征方法和这些缺陷对材料的各种性质的影响规律。从而解释为什么这种材料在经过这样处理之后会有这样的性质。应该说，我们对晶体缺陷的认识还不全面。随着理论深化、表征手段的完善，晶体缺陷的知识在增加。本章的另外一个重要目的是向同学展示晶体缺陷相关问题的研究思路和方法，培养大家对此类问题的研究能力。二、本章的主要内容1、描述空位和自空隙原子晶体缺陷。2、已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。3、说出两种固溶体类型，并且简要写出各自的定义，画出草图。4、说出并描述在陶瓷化合物中发现的八种不同的离子点缺陷。5、已知一金属的分子质量以及其中两种或两种以上元素的原子量，计算每一种元素的质量百分比和原子百分比。6、对于刃型位错、螺型位错和混合位错：(a)描述并且画出每一种位错；(b)标出位错线的位置；(c)标明位错线的延伸方向。7、描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。三、重要术语和概念Alloy:合金Ametallicsubstancethatiscomposedoftwoormoreelements.由两种及以上元素组成的金属材料。Weightpercent(wt%)：质量百分数Concentrationspecificationonthebasisofweight(ormass)ofaparticularelementrelativetothetotalalloyweight(ormass).Stoichiometry:正常价化合物Forioniccompounds,thestateofhavingexactlytheratioofcationstoanionsspeci-fiedbythechemicalformula.在离子化合物中，正、负离子的比例严格遵守化学公式定义的化合价关系。Imperfection:缺陷，不完整性Adeviationfromperfection;normallyappliedtocrystallinematerialswhereinthereisadeviationfromatomic/molecularorderand/orcontinuity.对完美性的偏离，在材料科学领域中通常指晶体材料中原子/分子在排列顺序/连续性上的偏离。Pointdefect:点缺陷Acrystallinedefectassociatedwithoneor,atmost,severalatomicsites.一种仅波及一个或数个原子的晶体缺陷。Vacancy:空位Anormallyoccupiedlatticesitefromwhichanatomorionismissing.一个缺失原子或离子的晶格节点位置。Vacancydiffusion:空位扩散Thediffusionmechanismwhereinnetatomicmigrationisfromlatticesitetoanadjacentvacancy.一种扩散机制，此时原子的净迁移是从晶格节点位置迁移到相近的空位中。Self-interstitial:自间隙原子Ahostatomorionthatispositionedonaninterstitiallatticesite.处于自身晶格间隙中的原子或离子。Schottkydefect:肖脱基缺陷Inanionicsolid,adefectconsistingofacation–vacancyandanion–vacancypair.在离子晶体中的一种缺陷结构，它是由一个阳离子空位和一个阴离子空位组成的空位对。Atomicvibration:原子振动Thevibrationofanatomaboutitsnormalpositioninasubstance.材料中原子在其平衡位置附近的振动。一般说来，这种振动与温度相关，温度越高，振动的幅度越大，因此也称为原子热振动。Substitutionalsolidsolution:置换固溶体Asolidsolutionwhereinthesoluteatomsreplaceorsubstituteforthehostatoms.溶质原子取代或代替溶剂原子而形成的固溶体。Interstitialdiffusion:间隙扩散Adiffusionmechanismwherebyatomicmotionisfrominterstitialsitetointerstitialsite.一种扩散机制，此时原子的运动是从晶格间隙位置迁移到另一个相近的间隙位置。Interstitialsolidsolution:间隙固溶体Asolidsolutionwhereinrelativelysmallsoluteatomsoccupyinterstitialpositionsbetweenthesolventorhostatoms.相对尺寸较小的溶质原子占据溶剂或晶格原子之间间隙位置所形成的固溶体。Solidsolution:固溶体Ahomogeneouscrystallinephasethatcontainstwoormorechemicalspecies.Bothsubstitutionalandinterstitialsolidsolutionsarepossible.包含两种或两种以上元素的均匀单相。固溶体可以以置换固溶体或间隙固溶体的形式存在。Solid-solutionstrengthening:固溶体强化Hardeningandstrengtheningofmetalsthatresultfromalloyinginwhichasolidsolutionisformed.Thepresenceofimpurityatomsrestrictsdislocationmobility.由于形成固溶体的合金化过程引起的金属硬化和强化，其机制是异类原子的存在限制了位错的可动性。Solute:溶质Onecomponentorelementofasolutionpresentinaminorconcentration.Itisdissolvedinthesolvent.溶液（固溶体）中，含量较少的组元或元素。溶质溶解在溶剂中。Solutionheattreatment:固溶处理，均匀化退火Theprocessusedtoformasolidsolutionbydissolvingprecipitateparticles.Often,thesolidsolutionissupersaturatedandmetastableatambientconditionsasaresultofrapidcoolingfromanelevatedtemperature.让沉淀物融解而形成固溶体的热处理过程。通常情况下，从固溶处理温度下快速冷却，形成室温下亚稳态过饱和固溶体。Solvent:溶剂Thecomponentofasolutionpresentinthegreatestamount.Itisthecomponentthatdissolvesasolute.溶液（固溶体）中，含量最大的组元，此组元溶解了溶质。Burgersvector(b):柏氏矢量Avectorthatdenotesthemagnitudeanddirectionoflatticedistortionassociatedwithadislocation.表示位错引起晶格畸变程度和方向的矢量。Composition(Ci):成分，组成Therelativecontentofaparticularelementorconstituent(i)withinanalloy,usuallyexpressedinweightpercentoratompercent.合金中某一元素或组分的相对含量，通常用质量百分数或原子百分数来表示。Defectstructure:缺陷结构，缺陷组态Relatingtothekindsandconcentrationsofvacanciesandinterstitialsinaceramiccompound.在陶瓷化合物中，与空位、间隙原子的类型和偏聚有关的缺陷组态。Dislocation:位错Alinearcrystallinedefectaroundwhichthereisatomicmisalignment.晶体材料中的线状缺陷，在其附近，原子发生错排。Plasticdeformationcorrespondstothemotionofdislocationsinresponsetoanappliedshearstress.Edge,screw,andmixeddislocationsarepossible.在外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。可能存在的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。Screwdislocation:螺型位错Alinearcrystallinedefectassociatedwiththelatticedistortioncreatedwhennormallyparallelplanesarejoinedtogethertoformahelicalramp.TheBurgersvectorisparalleltothedislocationline.一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为当相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所形成的原子错排组态。螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。Mixeddislocation:混合位错Adislocationthathasbothedgeandscrewcomponents.同时含有刃型分量和螺型分量的位错。Dislocationdensity:位错密度Thetotaldislocationlengthperunitvolumeofmaterial;alternately,thenumberofdislocationsthatintersectaunitareaofarandomsurfacesection.在单位体积材料中包含位错的长度，或者说在材料内部任意单位截面上位错线的根数。Dislocationline:位错线Thelinethatextendsalongtheendoftheextrahalf-planeofatomsforanedgedislocation,andalongthecenterofthespiralofascrewdislocation.刃型位错中多余半原子面边缘的连线，或者螺型位错中错排螺旋的中心轴线。Edgedislocation:刃型位错Alinearcrystallinedefectassociatedwiththelatticedistortionproducedinthevicinityoftheendofanextrahalfplaneofatomswithinacrystal.TheBurgersvectorisperpendiculartothedislocationline.一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为晶体中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。刃型位错的柏氏矢量垂直与其位错线。Electroneutrality:电中性Thestateofhavingexactlythesamenumbersof