简述晶体缺陷与材料性能之间的关系。
晶体缺陷可以按照其几何维数分为四类:零维——点缺陷,一维——线缺陷,二维——面缺陷和三维——体缺陷。
1)点缺陷在三维空间各方向上的几寸都很小,所以也称为零维缺陷。包括空位,间隙原子、置换原子和异类
原子等。点缺陷的出现,使周围的原子发生靠拢或撑开,使晶格发生扭曲,造成晶格畸变。使金属材料的强度、硬度和电阻率增加。所以金属中,点缺陷越多,它的强度、硬度越高。
实际上点缺陷对金属性能的影响就是空位,间隙原子、置换原子和异类原子等缺陷所引起的晶格畸变造成的固溶强化。
2)线缺陷又称为位错。也就是说,位错是一种线型的晶体缺陷,位错线周围附近的原子偏离白己的平衡位置,造成晶格畸变。位错的存在对金属的强度有着重要的影响,增加或降低位错密度,都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高,位错的存在可降低强度,当位错大量产生后,强度又提高。由于没有缺陷的晶体很难得到,所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度,但塑性随之降低。经冷加工后,位错密度能提高10倍左右,所以实际上线缺陷对金属性能的影响即加工硬化。
3)晶体的面缺陷一般是指具有二维尺寸的晶体缺陷。主要包括:晶体外表面、晶粒边界、孪晶界等。其中对金属性能影响最大的是晶界,由于晶界处原子呈不规则排列,使晶格处于畸变状态,使晶界处能量高出晶粒内部能量,因此晶界与晶粒内部有着一系列不同的特性。例如晶界在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用,即表现出晶界有较高的强度和硬度。晶粒越细小,晶界亦越多,它对金属的塑性变形的阻碍作用越大,金属的强度、硬度亦就越高;在高温下则其强度和硬度反而较低;晶界容易被腐蚀;晶界熔点较低:晶界处原子扩散速度较快等。实际上,面缺陷对金属性能的影响就是细晶强化。
4)顾名思义,体缺陷就是原子偏离周期排列的三维缺陷。一般指材料中的空洞、夹杂物等。这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何尺寸大小有关;另一方面也与其数量、分布有关。它们往往会使金属易受腐蚀,降低力学性能,并成为热处理裂纹的起源,所以它们的存在常常是有害的。
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