材料缺陷對材料效能的影響

2022-09-10 06:36:04 字數 2484 閱讀 9482

女神維納斯因為她的「無臂」之美而廣為人知,但是在日常的生產生活中,人們更追求的是無誤差的完美。那麼究竟缺陷能夠在材料中造成什麼影響呢,在此我將進行簡單的概述。

材料具有多種效能,大致分為兩類,一是使用效能,包括力學效能、物理效能和化學效能等;二是工藝效能,例如鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性以及熱處理性等等。在我們生產中經常用到的材料,其效能常常因為微觀上小小的差異而變得迥然不同。我們就理想型的完整晶體進行對於材料缺陷對材料效能的影響的研究與探索。

晶體缺陷: 在理想完整晶體中,原子按一定的次序嚴格地處在空間有規則的、週期性的格點上。但在實際的晶體中,由於晶體形成條件、原子的熱運動及其它條件的影響,原子的排列不可能那樣完整和規則,往往存在偏離了理想晶體結構的區域。

這些與完整週期性點陣結構的偏離就是晶體中的缺陷,它破壞了晶體的對稱性。

晶體中存在的缺陷種類很多,根據幾何形狀和涉及的範圍常可分為點缺陷、面缺陷、線缺陷幾種主要型別。

點缺陷:是指三維尺寸都很小,不超過幾個原子直徑的缺陷。主要有空位和間隙原子

在一般情形下,點缺陷主要影響晶體的物理性質,如比容、比熱容、電阻率等

比容的定義:為了在晶體內部產生乙個空位,需將該處的原子移到晶體表面上的新原子位置,這就導致晶體體積增加。

比熱容的定義:由於形成點缺陷需向晶體提供附加的能量(空位生成焓),因而引起附加比熱容。

電阻率:金屬的電阻**於離子對傳導電子的散射。在完整晶體中,電子基本上是在均勻電場中運動,而在有缺陷的晶體中,在缺陷區點陣的週期性被破壞,電場急劇變化,因而對電子產生強烈散射,導致晶體的電阻率增大。

此外,點缺陷還影響其它物理性質:如擴散係數、內耗、介電常數等。」在鹼金屬的鹵化物晶體中,由於雜質或過多的金屬離子等點缺陷對可見光的選擇性吸收,會使晶體呈現色彩。

這種點缺陷便稱為色心。

在一般情形下,點缺陷對金屬力學效能的影響較小,它只是通過和位錯互動作用,阻礙位錯運動而使晶體強化。但在高能粒子輻照的情形下,由於形成大量的點缺陷和擠塞子,會引起晶體顯著硬化和脆化。這種現象稱為輻照硬化。

缺陷對物理效能的影響很大,可以極大的影響材料的導熱,電阻,光學,和機械效能,極大地影響材料的各種效能指標,比如強度,塑性等。化學效能影響主要集中在材料表面效能上,比如雜質原子的缺陷會在大氣環境下形成原電池模型,極大地加速材料的腐蝕,另外表面能量也會受到缺陷的極大影響,表面化學活性,化學能等等。

總之影響非常大,但是如果合理的利用缺陷,可以提高材料某一方面的效能,比如人工在半導體材料中進行摻雜,形成空穴,可以極大地提高半導體材料的效能。

金屬材料的強度與位錯在材料受到外力的情況下如何運動有很大的關係。如果位錯運動受到的阻礙較小,則材料強度就會較高。實際材料在發生塑性變形時,位錯的運動是比較複雜的,位錯之間相互反應、位錯受到阻礙不斷塞積、材料中的溶質原子、第二相等都會阻礙位錯運動,從而使材料出現加工硬化。

因此,要想增加材料的強度就要通過諸如:細化晶粒(晶粒越細小晶界就越多,晶界對位錯的運動具有很強的阻礙作用)、有序化合金、第二相強化、固溶強化等手段使金屬的強度增加。以上增加金屬強度的根本原理就是想辦法阻礙位錯的運動。

空位是指未被原子所占有的晶格結點。間隙原子是處在晶格間隙中的多餘原子。點缺陷的出現,使周圍的原子發生靠攏或撐開,造成晶格畸變。

使材料的強度、硬度和電阻率增加。所以金屬中,點缺陷越多,它的強度、硬度越高。

除了點缺陷這一經常討論的缺陷外,還有一些缺陷也產生了重要的作用。

線缺陷: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的缺陷。屬於這類缺陷主要是位錯。位錯是晶體中的某處有一列或若干列原子發生了某種有規律的錯排現象。

面缺陷:是指二維尺寸很大而第三維尺寸很小的缺陷。通常是指晶界和亞晶界。

晶界:晶粒之間的邊界稱為晶界。

亞晶界:亞晶粒之間的邊界叫亞晶界。

按缺陷的形成又可以分為本徵缺陷和雜質缺陷。

本徵缺陷——由晶體本身偏離晶格結構形成的缺陷,是由於晶格結點上的粒子的熱運動產生的,也稱熱缺陷。如:

空位缺陷:晶格結點缺少了某些原子(或離子)而出現了空位。

間充缺陷:在晶格結點的空隙中,間充有原子(或離子)。

錯位缺陷:在晶格結點上a類原子佔據了b類原子所應佔據的位置。

非整比缺陷:晶體的組成偏離了定組成定律的非整比性的缺陷。

雜質缺陷——雜質粒子進入晶體形成的缺陷,如雜質粒子和間隙粒子缺陷。

晶體缺陷一般對晶體的化學性質影響較小,而對晶體的一些物理性質如導電性、磁性、光學效能及機械效能影響很大。

工業上使用的金屬材料絕大多數都是多晶體。

由於晶格空位和間隙原子的出現,原子間的作用力平衡被破壞,使其周圍的其它原子發生移動,偏離晶體的結點位置,這種現象稱為晶格畸變。

以上都為可以影響材料效能的缺陷。

在力學效能方面,改變晶體強度可以改變晶體缺陷數量

此圖為晶體強度與晶體缺陷數量的關係

工業上提高金屬材料強度晶體強度與晶體缺陷數量關係的基本途徑有兩個:1.儘量減少晶體的缺陷。如製造無位錯的金屬和合金的晶須及單晶;

2.通過引入異類原子、冷加工、熱處理及細化晶粒等來大量增加晶體中的缺陷,從而提高其強度。

材料的缺陷能夠對材料效能產生的影響還有很多,在此也就不一一枚舉了。

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