材料缺陷對材料性能影響

1、材料缺陷對材料性能影響 材料缺陷對材料性能得影響 女神維納斯因?yàn)樗?quot;無臂'之美而廣為人知,但就是在日常得生產(chǎn)生活中,人們更追求得就是無誤差得完美。那么究竟缺陷能夠在材料中造成什么影響呢,在此我將進(jìn)行簡單得概述。 材料具有多種性能,大致分為兩類,一就是使用性能,包括力學(xué)性能、物理性能與化學(xué)性能等;二就是工藝性能,例如鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性以及熱處理性等等。在我們生產(chǎn)中經(jīng)常用到得材料,其性能常常因?yàn)槲⒂^上小小得差異而變得迥然不同、我們就理想型得完整晶體進(jìn)行對于材料缺陷對材料性能得影響得研究與探索。 晶體缺陷: 在理想完整晶體中,原子按一定得次序嚴(yán)格地處在空間有規(guī)則得

2、、周期性得格點(diǎn)上。但在實(shí)際得晶體中,由于晶體形成條件、原子得熱運(yùn)動(dòng)及其它條件得影響,原子得排列不可能那樣完整與規(guī)則,往往存在偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)得區(qū)域。這些與完整周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)得偏離就就是晶體中得缺陷,它破壞了晶體得對稱性。 晶體中存在得缺陷種類很多,根據(jù)幾何形狀與涉及得范圍常可分為點(diǎn)缺陷、面缺陷、線缺陷幾種主要類型。 點(diǎn)缺陷:就是指三維尺寸都很小,不超過幾個(gè)原子直徑得缺陷。主要有空位與間隙原子 在一般情形下,點(diǎn)缺陷主要影響晶體得物理性質(zhì),如比容、比熱容、電阻率等 比容得定義:為了在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)空位,需將該處得原子移到晶體表面上得新原子位置,這就導(dǎo)致晶體體積增加、 比熱容得定義:由于形成點(diǎn)缺

3、陷需向晶體提供附加得能量(空位生成焓),因而引起附加比熱容、 電阻率:金屬得電阻來源于離子對傳導(dǎo)電子得散射。在完整晶體中,電子基本上就是在均勻電場中運(yùn)動(dòng),而在有缺陷得晶體中,在缺陷區(qū)點(diǎn)陣得周期性被破壞,電場急劇變化,因而對電子產(chǎn)生強(qiáng)烈散射,導(dǎo)致晶體得電阻率增大。 此外,點(diǎn)缺陷還影響其它物理性質(zhì):如擴(kuò)散系數(shù)、內(nèi)耗、介電常數(shù)等、'在堿金屬得鹵化物晶體中,由于雜質(zhì)或過多得金屬離子等點(diǎn)缺陷對可見光得選擇性吸收,會(huì)使晶體呈現(xiàn)色彩。這種點(diǎn)缺陷便稱為色心、 在一般情形下,點(diǎn)缺陷對金屬力學(xué)性能得影響較小,它只就是通過與位錯(cuò)交互作用,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而使晶體強(qiáng)化。但在高能粒子輻照得情形下,由于形成大量得點(diǎn)缺

4、陷與擠塞子,會(huì)引起晶體顯著硬化與脆化。這種現(xiàn)象稱為輻照硬化。 缺陷對物理性能得影響很大,可以極大得影響材料得導(dǎo)熱,電阻,光學(xué),與機(jī)械性能,極大地影響材料得各種性能指標(biāo),比如強(qiáng)度,塑性等?；瘜W(xué)性能影響主要集中在材料表面性能上,比如雜質(zhì)原子得缺陷會(huì)在大氣環(huán)境下形成原電池模型,極大地加速材料得腐蝕,另外表面能量也會(huì)受到缺陷得極大影響,表面化學(xué)活性,化學(xué)能等等。 總之影響非常大,但就是如果合理得利用缺陷,可以提高材料某一方面得性能,比如人工在半導(dǎo)體材料中進(jìn)行摻雜,形成空穴,可以極大地提高半導(dǎo)體材料得性能。 金屬材料得強(qiáng)度與位錯(cuò)在材料受到外力得情況下如何運(yùn)動(dòng)有很大得關(guān)系、如果位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到得阻礙較小,則材

5、料強(qiáng)度就會(huì)較高。實(shí)際材料在發(fā)生塑性變形時(shí),位錯(cuò)得運(yùn)動(dòng)就是比較復(fù)雜得,位錯(cuò)之間相互反應(yīng)、位錯(cuò)受到阻礙不斷塞積、材料中得溶質(zhì)原子、第二相等都會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而使材料出現(xiàn)加工硬化。因此,要想增加材料得強(qiáng)度就要通過諸如:細(xì)化晶粒(晶粒越細(xì)小晶界就越多,晶界對位錯(cuò)得運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)得阻礙作用)、有序化合金、第二相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等手段使金屬得強(qiáng)度增加。以上增加金屬強(qiáng)度得根本原理就就是想辦法阻礙位錯(cuò)得運(yùn)動(dòng)。 空位就是指未被原子所占有得晶格結(jié)點(diǎn)。間隙原子就是處在晶格間隙中得多余原子。點(diǎn)缺陷得出現(xiàn),使周圍得原子發(fā)生靠攏或撐開,造成晶格畸變。使材料得強(qiáng)度、硬度與電阻率增加、所以金屬中,點(diǎn)缺陷越多,它得強(qiáng)度、硬度越高

6、。 除了點(diǎn)缺陷這一經(jīng)常討論得缺陷外,還有一些缺陷也產(chǎn)生了重要得作用。 線缺陷:就是指三維空間中在二維方向上尺寸較小,在另一維方面上尺寸較大得缺陷。屬于這類缺陷主要就是位錯(cuò)。位錯(cuò)就是晶體中得某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律得錯(cuò)排現(xiàn)象、 面缺陷:就是指二維尺寸很大而第三維尺寸很小得缺陷、通常就是指晶界與亞晶界。 晶界:晶粒之間得邊界稱為晶界。 亞晶界:亞晶粒之間得邊界叫亞晶界。 按缺陷得形成又可以分為本征缺陷與雜質(zhì)缺陷。 本征缺陷-由晶體本身偏離晶格結(jié)構(gòu)形成得缺陷,就是由于晶格結(jié)點(diǎn)上得粒子得熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生得,也稱熱缺陷。如: 空位缺陷:晶格結(jié)點(diǎn)缺少了某些原子(或離子)而出現(xiàn)了空位。 間充缺陷:在

7、晶格結(jié)點(diǎn)得空隙中,間充有原子(或離子)。 錯(cuò)位缺陷:在晶格結(jié)點(diǎn)上 a 類原子占據(jù)了 b 類原子所應(yīng)占據(jù)得位置。 非整比缺陷:晶體得組成偏離了定組成定律得非整比性得缺陷。 雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)粒子進(jìn)入晶體形成得缺陷,如雜質(zhì)粒子與間隙粒子缺陷。 晶體缺陷一般對晶體得化學(xué)性質(zhì)影響較小,而對晶體得一些物理性質(zhì)如導(dǎo)電性、磁性、光學(xué)性能及機(jī)械性能影響很大。 工業(yè)上使用得金屬材料絕大多數(shù)都就是多晶體。 由于晶格空位與間隙原子得出現(xiàn),原子間得作用力平衡被破壞,使其周圍得其它原子發(fā)生移動(dòng),偏離晶體得結(jié)點(diǎn)位置,這種現(xiàn)象稱為晶格畸變、 以上都為可以影響材料性能得缺陷。 在力學(xué)性能方面,改變晶體強(qiáng)度可以改變晶體缺陷數(shù)量 此圖為晶體強(qiáng)度與晶體缺陷數(shù)量得關(guān)系 工業(yè)上提高金屬材料強(qiáng)度晶體強(qiáng)度與晶體缺陷數(shù)量關(guān)系 得基本途徑有