《材料微观结构第四章晶体中的位错与层错1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料微观结构第四章晶体中的位错与层错1（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章晶体中的位错与层错 4 1引言 完整晶体的理论切变强度 G 2 切变模量G 104 105N mm2 实际临界切应力1934年 Taylor提出 位错 linedefects dislocation 概念 原子可能偏离其正常平衡位置 在此后20多年的时间里 人们一直持怀疑态度1956年 博尔曼 赫尔什 门特实验观察到缺陷 证实Taylor的说法 位错理论 借助 4 2位错的基本概念 4 2 1位错概念的提出和位错形成几何学实际晶体远不是完整的 必定存在某种缺陷 原子都并非位于理论阵点位置 某些原子可能偏离其正常平衡位置 这些偏离正常原子位置的畸变中心若连成一条 线 便是 位错线 严格说
2、位错线并非一条几何意义上的 线 而是一列原子偏离平衡位置形成的 线状应变场 位错的类型 晶体在不同的应力状态下 其滑移方式不同 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 位错线本身的方向设为u 可以把位错分为三类 刃位错 b u螺位错 b u混合位错 b与u成任意角度 柏氏矢量b 定量描述线状应变场给正常晶体带来畸变大小的量 1 刃位错 形成及定义 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 即刃位错 或棱位错 几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直 滑移面上部位错线周围
3、原子受压应力作用 原子间距小于正常晶格间距 滑移面下部位错线周围原子受张应力作用 原子间距大于正常晶格间距 分类 正刃位错 负刃位错 符号中水平线代表滑移面 垂直线代表半个原子面 b u 滑移面就是位错线和b组成的平面 位错在晶体中连续运动 露出晶体表面 产生宏观可见的滑移线 滑移线聚集而成滑移带 位错线实际是半原子面刃部一条直线 或者说位错线是由于插入半个原子面在晶体中引起的 管状畸变区 的中心线EF 这个狭长应变区 只有几个原子间距宽 图中所画的只是形成刃位错的一种方式 其他途径如间隙原子或空位的扩散也能聚集形成多余半原子面 因此也可以形成刃型位错 刃型位错结构的特点 1 刃型位错有一个额
4、外的半原子面 一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错 记为 而把多出在下边的称为负刃型位错 记为 其实这种正 负之分只具相对意义而无本质的区别 2 刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线 它不一定是直线 也可以是折线或曲线 但它必与滑移方向相垂直 也垂直于滑移矢量 如纯刃型位错环 3 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面 在其他面上不能滑移 由于在刃型位错中 位错线与滑移矢量互相垂直 因此 由它们所构成的平面只有一个 4 晶体中存在刃型位错之后 位错周围的点阵发生弹性畸变 既有切应变 又有正应变 就正刃型位置而言 滑移面上方点阵受到压应力 下方点阵受到拉应力 负刃
5、型位错与此相反 5 在位错线周围的过渡区 畸变区 每个原子具有较大的平均能量 但该处只有几个原子间距宽 畸变区是狭长的管道 所以刃型位错是线缺陷 2螺位错 形成及定义 晶体在外加切应力 作用下 沿ABCD面滑移 图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处 由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面 故称为螺位错 几何特征 位错线与原子滑移方向相平行 位错线周围原子的配置是螺旋状的 分类 有左 右旋之分 分别以符号 和 表示 其中小圆点代表与该点垂直的位错 旋转箭头表示螺旋的旋转方向 它们之间符合左手 右手螺旋定则 b u 滑移面是位错线和b组成的平面 和刃位错不同 其滑移面不是唯一的 螺
6、型位错的运动方向垂直于位错线 螺型位错虽不引起体积膨胀和收缩 但也产生畸变 位错线附近也存在畸变应力场 螺型位错具有以下特征 1 螺型位错无额外半原子面 原子错排是呈轴对称的 2 根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同 螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错 3 螺型位错线与滑移矢量平行 因此一定是直线 而且位错线的移 方向与晶体滑移方向互相垂直 4 纯螺型位错的滑移面不是唯一的 凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面 但实际上 滑移通常是在那些原子密排面上进行 5 螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变 但是 只有平行于位错线的切应变而无正应变 即不会引起体积膨胀和收缩 且在垂直于位错
7、线的平面投影上 看不到原子的位移 看不出有缺陷 6 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少 故它也是包含几个原子宽度的线缺陷 3 混合位错 更为普遍 在切应力 作用下形成滑移区和未滑移区的边界EF是一根弯曲位错线 在端点E处 位错线与b平行 为纯螺位错 端点F处 位错线与b垂直 为纯刃位错 E F之间的位错线段与b成任意角度 叫混合位错 注意 混合位错上的任意一点b均相同 混合位错模型 晶体中的混合型位错 补充 无论任何位错都具有连续性 存在状态 形成闭合位错环 终止于晶界或其他界面 在晶体表面露头 而不会终止于晶体内部 4 2 2柏氏矢量的基本性质 为了便于描述晶体中的位错 以
8、及更为确切地表征不同类型位错的特征 1939年柏格斯 J M Burgers 提出了采用柏氏回路来定义位错 借助一个规定的矢量即柏氏矢量可揭示位错的本质 含缺陷晶体是相对完整晶体而言的 为了描述含缺陷晶体点阵错排的程度所引入的任何参数 只能通过缺陷晶体与完整晶体点阵排列的比较才能得到 于是建立柏氏矢量b 1柏氏矢量b的确定柏氏矢量可以通过柏氏回路来确定 通常确定确定该位错柏氏矢量的具体步骤如下 1 首先选定位错线的正向 例如 常规定出纸面的方向为位错线的正方向 2 在实际晶体中 从任一原子出发 围绕位错 避开位错线附近的严重畸变区 以一定的步数作一右旋闭合回路 称为柏氏回路 3 在完整晶体中按
9、同样的方向和步数作相同的回路 该回路并不封闭 由终点F向起点S引一矢量 使该回路闭合 这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直 这是刃型位错的一个重要特征 规定位错线的正向u 并规定从里向外 离开图面方向为正向 在含缺陷晶体 a c 中 作包围位错的回路 小箭头所示 记住步数 然后以同样步数和回转方向在相应的完整晶体 b d 上作回路 这时此回路必不封闭 由不闭合回路的终点F连向始点S 取F S b 螺型位错的柏氏矢量也可按同样的方法加以确定 螺型位错的柏氏矢量与位错线平行 且规定b与正向平行者为右螺旋位错 b与反向平行者为左螺旋位错 至于混合位错的柏氏矢量既不垂
10、直也不平行于位错线 而与它相交成 角 0 2 可将其分解成垂直和平行于位错线的刃型分和螺型分量 柏氏矢量b反映了位错周围点阵畸变的总积累 而且巧妙地描述了位错的性质 螺型分量bs bcos 刃型分量be bsin 2 柏氏矢量的特性 1 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量 该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向 即位错运动导致晶体滑移的方向 而该矢量的模 b 表示了畸变的程度 称为位错的强度 2 柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关 柏氏矢量是唯一的 这就是柏氏矢量的守恒性 3 一根不分岔的位错线 不论其形状如何变化 直线 曲折线或闭合的环状 也不管位错线上各处的位错类型是否相同
11、其各部位的柏氏矢量都相同 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时 其柏氏矢量不变 即一根位错线具有唯一的柏氏矢量 4 若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为柏氏矢量分别为b1 b2 bn的n个位错 则分解后各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量 即b 3关于柏氏矢量的其它问题 实际晶体中的位错类型决定于晶体结构和能量条件位错应变能 长度 b2 能量最稳定的b是最邻近的两个原子间距 亦即最短的平移矢量 能量上最稳定的位错 全位错 b从原子的一个平衡位置指向另一个平衡位置 大小往往是密排方向的点阵周期或周期整数倍 例 FCC全位错b a 2BCC全位错b a 2能量较高 不太稳定的位错 不全位错 此时b
12、不是点阵周期的整数倍 例 FCC不全位错b a 6或a 3BCC不全位错b a 6或a 3 4 3典型金属中的位错 4 3 1面心立方金属中的位错 汤普森作图法滑移面 BCD面 a面 11 1 ADC面 b面 1 11 ADB面 c面 111 ABC面 d面 111 面心立方金属中的位错 汤普森作图法 全位错 四面体的六根棱 DB 1 2 101 BD 1 2 10 1 DC 1 2 011 DC 1 2 0 1 1 DA 1 2 110 AD 1 2 1 10 AB 1 2 0 11 BA 1 2 01 1 BC 1 2 110 CB 1 2 1 10 AC 1 2 101 CA 1 2 1
13、0 1 面心立方金属中的位错 汤普森作图法 不全位错 加上反方向 共24根 D 1 6 112 C 1 6 1 1 2 B 1 6 21 1 A 1 6 2 11 C 1 6 1 2 1 D 1 6 121 B 1 6 11 2 A 1 6 1 12 D 1 6 211 B 1 6 12 1 A 1 6 1 21 C 1 6 2 1 1 从汤普森图形 很容易找到可能的全位错分解反应式 例如在 ADC和 CAB中 可找到下述反应 CA C A 即a 2 10 1 a 6 1 1 2 a 6 21 1 CA C A 即a 2 10 1 a 6 2 1 1 a 6 11 2 4 3 2密排六方金属中
14、的位错 玻赞作图法 OAC是六方密排单胞底面上的一个三角形 O为单胞底面的中心 是 OAC的中心 设O p OA a AB c a c为密排六方的点阵常数 另取S T为 OAC中心 所对应的上下两个原子层上的原子 S T连线 OAC S c 2 AB 2六面体OACST加上AB OB两条直线就可以全部包括密排六方结构晶体的全位错和不全位错 1 全位错 三种类型 20条 OC型长度为a 6条 OC CO OA AO AC CA 其柏氏矢量b 三指数表示为或 四指数表示为1 3ST型长度为c 2条 ST TS 三指数表示为 四指数表示为OB型长度为 a c 12条 OB BO OD DO EO O
15、E FO OF GO OG HO OH工其b 三指数表示为或 四指数表示为1 3 2 不全位错 全部限于打阴影的竖三角形O S中 O 型长度为p 6条 O O C C A A 其b 1 3 位于基面上 可以由OC O C产生 S型长度为c 2 4条 S S T T 其中b 1 2 它们是另两个不全位错复合的结果 如 S O OSOS型长度为 p c 2 12条 AS CS OS及其反方向 AT OT CT及其反方向 其b 1 6 倾斜于基面 它们是另外两个不全位错复合的结果 如OS O S以上共不全位错三种类型 22条 在层错能低的六方金属 如Co Zn Cd中 我们曾经观察到OS型全位错分解为一个O 不全位错和一个 S型不全位错的反应 OS O S四指数化为三指数 c a b 作业4 比较刃型位错与螺型位错的不同点 找出五条
