晶体缺陷与强度优秀PPT.ppt
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1、晶体缺陷与强度你现在浏览的是第一页,共33页第一章:金属及合金的结构第一章: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,其大小通常以为计量单位
2、(A),晶胞各边之间的相互夹角分别以、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。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。你现在浏览的是第二页,共33页你现在浏览的是第三页,共33页常见纯金属的晶格类型体心立方晶格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=90o。在体
3、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-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%。你现在浏览的是第四页,共33页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-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
4、度为0.74或74%。你现在浏览的是第五页,共33页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/a1.633;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%。你现在浏览的是第六页,共33页第二节 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
5、(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你现在浏览的是第七页,共33页晶体缺陷: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: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、表面你现在浏览的是第八页,共33页一一、点缺陷、点缺陷由于原子热振动造成的。由于原子热振动造成的。1、点缺陷的类型点缺陷的类型(1)空位:)空位:肖脱基空位肖脱基空位离位原子进入其离位原子进
6、入其空位或迁移至晶界或表面。空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位弗兰克尔空位离位原子进入离位原子进入晶体间隙。晶体间隙。(2)间隙原子:位于晶体点)间隙原子:位于晶体点阵间隙的原子。阵间隙的原子。(3)置换原子:位于晶体点阵)置换原子:位于晶体点阵位置的异类原子。位置的异类原子。你现在浏览的是第九页,共33页你现在浏览的是第十页,共33页置换原子你现在浏览的是第十一页,共33页 2、点缺陷的平衡浓度、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
7、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C=Aexp(-Ev/kT)K:波尔兹曼常数,约为8.6210-5ev/K或1.3810-23J/KEv:该种点缺陷的形成能。你现在浏览的是第十二页,共33页过饱和点缺陷过饱和点缺陷(supersaturated point defect)的产生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:淬火(quenching
8、)冷加工(coldworking)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。3.辐照当金属受到高能粒子(中子、质子、氘核、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你现在浏览的是第十三页,共33页3 点缺陷的产生及其运动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
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