Real Crystals
晶体缺陷的分类
Classifications of Crystal Defects or Imperfections
➢点缺陷 Point Defects: ➢线缺陷 Line Defects: ➢面缺陷 Plane Defects:
点缺陷 Point Defects
1、空位 Vacancies
对合金扩散控制的热加工工艺(如渗金属、烧结等)组织具有 决定性影响；
对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强 度、塑性、耐蚀、氧化）
获得非平衡空位(过饱和空位)的方法
高温淬火(Quenching)：通过极端手段
把高温下的平衡空位快速“冷冻”固定到室温
快速凝固；固溶处理：过饱和固溶体（固溶强化）、
固溶强化（Solid Solution Hardening
or Strengthening）
Interstitial Atoms in Solid Solution
三、置换式原子（溶质、杂质）
Substitutional Solute Atoms
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
过饱和空位（固溶后时效热处理工艺要求的原因）！
强烈塑性变形:表面喷丸强化－表面纳米化 高能粒子辐照：中子辐照等(同时产生
自间隙原子），材料性能严重脆化！
Nitriding Iron at Lower Temperatures
W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu*
2、间隙原子 Interstitials：
3、置换式原子 S换式（溶质）原子
一、空位 Vacancies
一种热力学稳定的晶体缺陷
晶体热力学：N个晶格结点、n个空位，空位浓度Cv=n/N
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
空位: 系统自由能增加nUv（ Uv：空位形成自由能） 空位: 组态熵DSc及振动熵DSv增加系统自由能降低
《Science》 299 (2003)5607, 686-688.
2004年中国十大科技新闻（位列第二）
Microstructure in the surface layer of a pure iron plate was refined at the nanometer scale by a surface mechanical attrition treatment that generates repetitive severe plastic deformation of the surface layer. The subsequent nitriding kinetics were greatly enhanced, so that the nitriding temperature could be as low as 300°C, which is much lower than conventional nitriding temperatures (above 500°C). This enhanced processing method demonstrates the technological significance of nanomaterials in improving traditional processing techniques.
《物理冶金原理》
主要研究内容
➢ 金属材料的原子排列与结构(晶体结构、 晶体缺陷、显微组织等)
➢ 金属材料主要制备成形工艺的基本原理 (相图与凝固、固态相变、塑性变形等)
➢ 金属材料组织结构、性能及其与制备、 成形过程之间关系与控制的基本理论。
《物理冶金原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
Sv = 3k.ln(n/n’) Sc = k.ln(N!/n![N-n]!)
Cu晶体中不同温度的平衡空位浓度
空位对合金组织及性能控制的重要性
物理及电子学性质（密度、电学、电子学性能）
原子扩散的基本（最重要）方式
对合金固态相变过程(形核、长大；时效)及固态相变组织具 有决定性影响；
晶体的自由能
DG=nUv-T(nDSv+DSc)
组态熵：Configurational Entropy
DSc = k.ln(N!/n![N-n]!)
振动熵：Vibrational Entropy
DSv = 3k.ln(n/n’)
温度T时晶体中的平衡空位浓度
Cv=n/N=A.exp(-Uv/kT)
- etc
Properties:
- Mechanical - Functional
晶体缺陷
Crystal Defects or Imperfections
理想晶体 Ideal or Perfect Crystals
实际晶体的不完美性或“缺陷” Imperfections or Defects in
二、间隙原子 Interstitial Atoms
热力学不稳定的晶体缺陷
自间隙原子(Self-Interstitials)：
除经高能粒子辐照外(如核装备零件，同时产生 空位空位群空洞：缺陷)、一般不存在
溶质间隙原子(Solute Interstitials) ：
C、N、B、O、H等，固溶强化效果极强！
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)