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1、2.3 线缺陷 位错模型的提出 背景 完整晶体塑性变形滑移的模型金属 晶体的理论强度理论强度比实测强度高出几个 数量级 晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模 型 以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测 值基本相符。 二 线缺陷（位错）dislocation 位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂 等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较 大影响。） 位错的提出： 1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度 与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错 的概念。 1939年，柏格斯
2、提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。 n一、位错的类型 n二、位错的伯格斯矢量(Burgers vector ) 及位错的性质 n三、位错的运动 n四、位错的弹性性质 n五、实际晶体中的位错 一、位错的类型 根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特 征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。 （一）刃位错 形成及定义（图2-4） ： 晶体在大于屈服值的切应力作用下，以 ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分 和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀 刃，即
3、刃位错（或棱位错）。 模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线晶 体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方 向/位错运动方向。） 分类：正刃位错， “” ；负刃位错， “T” 。符 号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 图2-4 刃位错示意图 （二）、螺位错 形成及定义（图2-5） ： 晶体在外加切应力作用下，沿ABCD面滑移 ，图中BC线为已滑移区与未滑移区的分界处。在BC与 aa线之间上下两层原子发生了错排现象，连接紊乱区 原子，会画出一螺旋路径，该路径所包围的管状原子畸 变区就是螺型位错。 模型：滑移面/位错线（位错线/晶体滑移方向，位 错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方
4、向。 ） 分类：有左、右旋之分，分别符合左手、右手螺旋 定则。 图2-5 螺位错形成示意图 在外力作用下，两部分之间发生 相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分 的交线既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢 量b），这样的位错称为混合位错。如图2-6 所示。 位错线上任意一点，经矢量分解 后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中 位错线的形状可以是任意的，但位错线上各 点的柏氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型 分量不同而已。 （三）、混合位错 图2-6 （a）混合位错的 形成 （b）混合位错分解为刃位错 和螺位错示意图 （c）混合位错线附近原 子滑移透视图 二、位错的柏格斯矢量（Burgers vect
5、or）及位错的性质 柏格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑 移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移 或畸变。 性质：大小表征了位错的单位滑移距离 ，方向与滑移方向一致。 （一）柏格斯矢量 1.确定柏格斯矢量的步骤 （1）对于给定点的位错，人为规定位错 线的方向，如图2-7所示。 （2）用右手螺旋定则确定柏格斯回路方 向。 （3）按照图2-7所示的规律走回路，最后 封闭回路的矢量即要求的柏氏矢量。 图2-7 简单立方结构中，围绕刃位错的柏格 斯回路 2 .柏氏矢量的物理意义及特征、 （1）形成位错的平移（滑移）矢量，柏 氏回路的不封闭性，定义为b。 （2）b代表位错畸变总和，b称为位错强 度。 （3
6、）bl 为螺型位错， bl 为刃型位错 。 （4）柏氏矢量具有守恒性。 柏氏矢量的守恒性 对一条位错线而言，其柏氏矢量是固 定不变的，此即位错的柏氏矢量的守恒性。 推论： 1.一条位错线只有一个柏氏矢量。 2.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称 为节点），则指向节点的各位错的柏氏矢量之和 ，必然等于离开节点的各位错的柏氏矢量之和 。 （二）位错线的连续性及位错密度 1.位错线的连续性 位错线不可能中断于晶体内部。在 晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与 其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶 界或晶体表面。 2.位错密度：单位体积内位错线的总长 度=S/V 式中：l为每根位错线的长度，
7、n为 面积A中见到的位错数目。 一般退火金属晶体中为 105106cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属 晶体中，为10101012cm-2 三、位错的运动 n位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移 面上的运动，结果导致永久形变。 n位错的攀移：指在热缺陷的作用下，位错在 垂直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子 的增值或减少。 （一）位错的滑移 1.位错滑移的机理（图2-8） 位错在滑移时是通过位错线或位错附 近的原子逐个移动很小的距离完成的。 图2-8 刃位错的滑移 （a）正刃位错滑移方向与外 力方向相图 （b）负刃位错滑移方 向与外力方向相反 刃位错的运动螺位错的运动 2.位错的滑移特点
8、（1）刃位错滑移方向与柏氏矢量b平行， 正、负刃位错滑移方向相反。 （2）螺位错滑移方向与柏氏矢量b垂直， 左、右螺型位错滑移方向相反。 （3）混合位错滑移方向与柏氏矢量b成一 定角度（即沿位错线法线方向滑移）。 （4）晶体的滑移方向与位错的柏氏矢量b 相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。 派纳力 滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑 移方向应是原子最密排方向。 （二）位错的攀移 位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错 线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体 中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除了滑 移外，还可进行攀移运动。 攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。 螺位错没有多余半原子
9、面，故无攀移运动。 图2-9 刃位错攀移示意图 （a）正攀移（半原子 面缩短） (b)未攀移 （c）负攀移（半 原子面伸长） 常温下位错靠热激活来攀移是很困难的 。但是，在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制 中，攀移却起着重要作用。位错攀移在低温下是难 以进行的，只有在高温下才可能发生。 四、位错的弹性性质 .位错的应力场与应变能 理论基础：连续弹性介质模型 假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形； 2. 各向同性；3. 连续介质，不存在结构间隙。 位错的应力场: 刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场， 刃位错下面的原子处于张应力状态，为张应力场。 围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也
10、有应力场存在 。 螺位错应力场中不存在正应力分量。 切应力分量之与r有关，与 无关，所以螺位错应 力场是径向对称的，即同一半径上的切应力相等 。 正应力分量与切应力分量同时存在， 各应力分量与Z无关，滑移面以上，为压应力， 滑移面以下为拉应力。 n位错的弹性应变能可进一步简化为一个简单 的函数式： n W=Gb2 式中W为单位长度位错线的弹性应变能 ，G是剪切模量，b是柏氏矢量， =1/4lnR/r0 其中R是晶体的外径、 r0 是位错核心的半径，系 数由位错的类型、密度（R值）决定，其值的范 围为0.51.0。 n意义：上式表明Wb2，故可用柏氏矢量的 大小来判断晶体哪些地方最容易形成位错。
11、 2.外力场中位错所受的力 Fdb 作用在单位长度位错线上的力与外加切 应力和柏氏矢量b成正比，方向处处垂直于位 错线，并指向未滑移区。 3. 位错线张力 线张力数值上等于单位长度位错的应变 能。 T=Gb2 4. 位错间的交互作用力 五、实际晶体中的位错 .单位位错（全位错） b为沿滑移方向的原子间距的整数倍的位错。 2.不全位错 b小于滑移方向的原子间距的位错。 面心立方晶体中，存在两种不全位错：肖克莱不 全位错和弗兰克不全位错。 3.位错反应 由于位错间相互作用力的存在，使得位错 之间有可能发生相互转化或相互作用，此即位 错反应。位错能否发生反应，取决于两个条件 ： 其一，必须满足伯氏矢量的守恒性； b前 b后 其二，必须满足能量条件。 b2前 b2后 4.扩展位错 5.位错的增殖
