晶体结构课件.ppt

*************************************线缺陷1位错的概念位错是一种线型缺陷，表示晶体中原子排列的不完整性沿一条线延伸。位错是理解金属塑性变形机制的关键概念，由泰勒、奥罗万和波拉尼等科学家在20世纪30年代提出。位错的存在使得材料在远低于理论强度的应力下就能发生塑性变形。2位错的类型位错主要分为两种基本类型：边位错和螺位错。边位错可看作晶体中插入或移除一个额外的半原子面形成的，位错线垂直于滑移方向。螺位错则是由晶体的剪切变形产生的，位错线平行于滑移方向。在实际晶体中，大多数位错是边位错和螺位错的混合形式。3位错对材料性能的影响位错对材料性能有深远影响。一方面，位错的运动是金属塑性变形的微观机制，使金属具有韧性；另一方面，位错的数量和分布显著影响材料的强度。位错密度增加会导致位错之间的相互作用增强，阻碍位错运动，从而提高材料强度，这是金属强化机制的基础。位错还影响材料的其他性质。例如，位错是杂质原子的优先偏析位置，影响材料的化学性能；位错周围的应变场影响电子行为，对半导体器件性能有显著影响；位错还可成为优先腐蚀位置，降低材料的耐腐蚀性。通过热处理、形变加工和合金化等方法可以控制材料中的位错结构。面缺陷晶界和孪晶晶界是相邻晶粒之间的界面，是晶体取向发生变化的区域。根据取向差角度的不同，晶界分为小角晶界（15°）和大角晶界（15°）。小角晶界可看作是位错阵列，而大角晶界结构更为复杂，通常有更高的能量。晶界对材料性能有重要影响。它们通常是原子扩散的快速通道，影响材料的蠕变性能；同时也是杂质偏析的优先位置，可能导致晶间腐蚀和脆化。通过控制晶粒尺寸和晶界特性，可以显著改变材料的力学性能和物理性能。孪晶是一种特殊的晶界，其两侧的晶格呈镜像对称关系。孪晶可通过形变过程（变形孪晶）或退火过程（退火孪晶）形成。孪晶对材料强度和延展性有显著影响，在某些金属（如铜、黄铜）中常见。堆垛层错堆垛层错是晶体中原子堆积序列的局部偏离。例如，在面心立方（FCC）结构中，正常堆积序列是ABCABCABC...，若出现ABCABABC...序列，就形成了堆垛层错。堆垛层错可通过位错在滑移过程中的分解形成，也可在晶体生长或相变过程中产生。层错能（单位面积层错的能量）是表征堆垛层错稳定性的重要参数，与材料的塑性变形行为密切相关。堆垛层错对材料性能的影响主要体现在：影响位错运动和交互作用，从而影响材料的强度和塑性；改变局部电子结构，影响半导体材料的性能；成为相变的形核位置，影响材料的相转变行为。体缺陷空洞空洞是晶体中较大体积的空缺，尺寸远大于点缺陷，通常含有多个缺失原子。空洞可通过多种方式形成：高温退火过程中空位聚集形成辐照损伤导致原子被撞击出正常位置快速凝固过程中气体释放不完全材料在高应力下发生微裂纹空洞对材料性能的不利影响明显，会降低材料的强度、韧性和疲劳寿命，增加断裂倾向。在高温环境下，特别是在受拉应力作用下，空洞倾向于长大和合并，最终导致材料蠕变断裂。夹杂物夹杂物是嵌入晶体结构中的外来物质颗粒，可能来自：生产过程中的杂质（如金属中的氧化物、硫化物、硅酸盐等）相变过程中析出的第二相（如钢中的碳化物、硅酸盐等）人为添加的增强相（如复合材料中的增强颗粒）夹杂物对材料性能的影响可正可负。一方面，夹杂物常成为裂纹源，降低材料韧性和疲劳性能；另一方面，细小分散的夹杂物可阻碍位错运动，提高材料强度，这是颗粒强化的基础。高纯材料通常追求减少有害夹杂物含量。体缺陷的表征方法包括：光学显微镜和电子显微镜直接观察；X射线断层扫描观察内部结构；超声波探测技术检测内部缺陷；密度测量评估空洞率等。控制体缺陷的方法包括：优化生产工艺减少杂质引入；控制热处理工艺减少空洞形成；采用特殊处理如热等静压消除内部空洞等。晶体生长形核阶段晶体生长始于形核过程，即在母相中形成新相的初始晶核。形核可分为均匀形核（在母相内部自发形成）和非均匀形核（在容器壁、杂质颗粒等外部表面形成）。形核需克服能量势垒，与过饱和度、温度等条件相关。晶核长大当晶核尺寸超过临界值后，进入长大阶段。原子或分子从母相迁移到晶核表面并整合到晶格中，使晶体不断长大。长大速率受多种因素影响，包括界面能、过饱和度、温度、扩散速率和界面附着动力学等。晶粒发展随着晶体继续生长，相邻晶粒相遇形成晶界。在这一阶段，较大晶粒通常以较小晶粒为代价而长大，称为晶粒长大或奥斯特瓦尔德熟化。该过程受系统总界面能驱动，目的是降低系统总能量。最终晶体形成最终晶体形态受多种因素影响，包括生长条件、晶体内在对称性和各向异性等。晶体外形可能表现为平整晶面，根据吉布斯-沃尔夫定律，