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1、晶体中的界面晶体中的界面位错的基本概念位错的基本概念位错的能量与交互作用位错的能量与交互作用点缺陷点缺陷概述概述第第3章章 晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷最新课件引言：引言：在介绍晶体结构时，为了说明晶体的周期性和方向性，在介绍晶体结构时，为了说明晶体的周期性和方向性，把晶体处理为完全理想状态，实际上晶体中存在着偏离理想把晶体处理为完全理想状态，实际上晶体中存在着偏离理想的结构，的结构，晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。偏差的区域。这些区域的存在，并不影响晶体结构的基本特这些区域的存在，并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的
2、排列特征发生了改变。性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变。 缺陷分类缺陷分类 （1 1）点缺陷（零维缺陷）：空位、间隙原子、杂质等）点缺陷（零维缺陷）：空位、间隙原子、杂质等 （2 2）线缺陷（一维缺陷）：位错等）线缺陷（一维缺陷）：位错等 （3 3）面缺陷（二维缺陷）：晶界、表面、相界、层错）面缺陷（二维缺陷）：晶界、表面、相界、层错 （4 4）体缺陷（三维缺陷）：沉淀相、孔洞、亚结构等）体缺陷（三维缺陷）：沉淀相、孔洞、亚结构等晶体缺陷最新课件概概 述述晶晶体体缺缺陷陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷:位错位错面缺陷面缺陷空位空位间隙原子与杂质原子间隙原子与杂质原子刃型刃型:螺型螺型:混合型
3、混合型:界面界面表面表面堆垛层错堆垛层错晶界晶界亚晶界亚晶界孪晶界孪晶界相界相界晶体缺陷最新课件3 31 11 1 点缺陷的类型点缺陷的类型图图3.1 晶体中的各种点缺陷晶体中的各种点缺陷1-大的置换原子；大的置换原子；2-肖脱基空位；肖脱基空位；3-异类间隙原子；异类间隙原子；4-复合空位；复合空位；5弗兰克尔空位；弗兰克尔空位；6-小的置换原子小的置换原子3 31 1 点缺陷点缺陷4晶体缺陷最新课件 晶格正常结点位置出现空位后，其周围原子由于失去晶格正常结点位置出现空位后，其周围原子由于失去了一个近邻原子而使相互间的作用力失去平衡，因此它们了一个近邻原子而使相互间的作用力失去平衡，因此它们
4、会朝空位方向作一定程度的弛豫，并使空位周围出现一个会朝空位方向作一定程度的弛豫，并使空位周围出现一个波及一定范围的弹性畸变区。空位形成除引起点阵畸变外，波及一定范围的弹性畸变区。空位形成除引起点阵畸变外，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量。为形成一个空位所需能量。晶体缺陷最新课件图图3.2 空位的移动空位的移动 原原子子作作热热振振动动，一一定定温温度度下下原原子子热热振振动动能能量量一一定定，呈呈统统计计分分布布，在在瞬瞬间间一一些些能能量量大大的的原原子子克克服服周周围围原原子子对对它的束缚，迁移至别处，形成
5、空位。它的束缚，迁移至别处，形成空位。6晶体缺陷最新课件3 31 12 2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 热热力力学学分分析析表表明明：在在高高于于0K0K的的任任何何温温度度下下，晶晶体体最最稳稳定定的的状状态态是是含含有有一一定定浓浓度度点点缺缺陷陷的的状状态态。在在某某一一温温度度下下，晶晶体体自自由由焓焓最最低低时时对对应应的的点点缺缺陷陷浓浓度度为为点点缺缺陷陷的的平平衡衡浓浓度度，用用C CV V表示。表示。 在在一一定定温温度度下下，晶晶体体中中有有一一定定平平衡衡数数量量的的空空位位和和间间隙隙原原子，其数量可近似算出。子，其数量可近似算出。 设自由能设自由能 F=UF=U
6、TSTS U U为内能，为内能，S S为系统熵（包括为系统熵（包括振动熵振动熵S Sf f和和排列熵排列熵S SC C） 空空位位的的引引入入，一一方方面面由由于于弹弹性性畸畸变变使使晶晶体体内内能能增增加加；另另一一方方面面又又使使晶晶体体中中混混乱乱度度增增加加，使使熵熵增增加加。而而熵熵的的变变化化包包括括两部分：两部分： 空位改变它周围原子的振动引起振动熵空位改变它周围原子的振动引起振动熵S Sf； 空空位位在在晶晶体体点点阵阵中中的的排排列列可可有有许许多多不不同同的的几几何何组组态态，使使排列熵排列熵S SC C增加。增加。 晶体缺陷最新课件 设设在在温温度度T T时时，含含有有N
7、 N个个结结点点的的晶晶体体中中形形成成n n个个空空位位，与与无无空空位晶体相比位晶体相比 F=n F=nEEV V-T-TSS S=S S=SC C+n+nSSfn n个空位引入，可能的原子排列方式个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，利用玻尔兹曼关系，化简可得：化简可得： 当当N N和和n n很大时，可用斯特令近似公式很大时，可用斯特令近似公式将上式改写为将上式改写为晶体缺陷最新课件平衡时，自由能最小，即而已知晶体缺陷最新课件令：令： 式中式中A=exp(Sf/k)，由振动熵决定，约为，由振动熵决定，约为110。 上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关上式表示的是
8、空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关系，由于间隙原子的形成能较大，在相同温度下，间隙原子浓度系，由于间隙原子的形成能较大，在相同温度下，间隙原子浓度比空位浓度小的多，通常可以忽略不计，所以一般情况下，金属比空位浓度小的多，通常可以忽略不计，所以一般情况下，金属晶体的点缺陷主要是指空位。晶体的点缺陷主要是指空位。晶体缺陷最新课件 若已知若已知E EV V和和SSf，则可由上式计算出任一温度，则可由上式计算出任一温度T T下的浓度下的浓度C.C.由上式可得：由上式可得： 1 1）晶晶体体中中空空位位在在热热力力学学上上是是稳稳定定的的，一一定定温温度度T T对对应应一一平平衡浓度衡浓度C C
9、2 2）C C与与T T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3 3）空位形成能）空位形成能E EV V大，空位浓度小大，空位浓度小例如：已知铜中例如：已知铜中E EV V=1.4410=1.4410-19-19J/atomJ/atom，A A取为取为1 1，则，则 T100K300K500K700K900K1000KCV10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.7晶体缺陷最新课件 例题例题 CuCu晶体的空位形成能晶体的空位形成能E Ev v为为0.9ev/atom0.9ev/atom，或，或1.44101.44101919 J/atom
10、 J/atom，材料常数，材料常数A A取作取作1 1，玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数k k1.3810 1.3810 2323J/KJ/K，计算：，计算： 1 1）在）在500500下，每立方米下，每立方米CuCu中的空位数目。中的空位数目。 2 2） 500500下的平衡空位浓度。下的平衡空位浓度。 解：首先确定解：首先确定1m1m3 3体积内体积内CuCu原子的总数（已知原子的总数（已知CuCu的摩尔的摩尔质量为质量为M MCuCu63.54g/mol63.54g/mol， 500500下下CuCu的密度的密度CuCu8.96 108.96 106 6 g/mg/m3 3 晶体缺陷最新课件1
11、 1）将）将N N代入空位平衡浓度公式，计算空位数目代入空位平衡浓度公式，计算空位数目n nv v 2 2）计算空位浓度）计算空位浓度 即在即在500500时，每时，每10106 6个原子中才有个原子中才有1.41.4个空位。个空位。晶体缺陷最新课件 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。图图3-3所示为空位移动所示为空位移动 。 图图3.3 空位的移动空位的移动313 点缺陷的运动和作用点缺陷的运动和作用 在点缺陷运动中，当间隙原
12、子与一个空位相遇时，将落在点缺陷运动中，当间隙原子与一个空位相遇时，将落入该空位，使两者都消失，称为入该空位，使两者都消失，称为复合复合。14晶体缺陷最新课件 点缺陷运动的作用在于点缺陷运动的作用在于：由于空位和间隙原子：由于空位和间隙原子不断的产生与复合，使得晶体中的原子不停地向别不断的产生与复合，使得晶体中的原子不停地向别处作不规则地布朗运动，这就是晶体的自扩散，是处作不规则地布朗运动，这就是晶体的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程的固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程的基础。基础。晶体缺陷最新课件3 31 14 4 过饱和点缺陷过饱和点缺陷 给给定定温温度度下下，
13、晶晶体体中中存存在在一一平平衡衡的的点点缺缺陷陷浓浓度度，通通过一些方法，晶体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。过一些方法，晶体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。 1）高高温温淬淬火火把把空空位位保保留留到到室室温温：加加热热后后，使使缺缺陷陷浓浓度度较高，然后快速冷却，使点缺陷来不及复合过程。较高，然后快速冷却，使点缺陷来不及复合过程。 2）辐辐照照：高高能能粒粒子子辐辐照照晶晶体体，形形成成数数量量相相等等的的空空位位和和间隙原子（原子不断离位而产生）。间隙原子（原子不断离位而产生）。 3）塑性变形：位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。）塑性变形：位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。 另另外外，点点缺缺陷
14、陷还还会会聚聚集集成成空空位位片片，过过多多的的空空位片造成材料区域崩塌而破坏，形成孔洞。位片造成材料区域崩塌而破坏，形成孔洞。晶体缺陷最新课件3 31 15 5 点缺陷对晶体性质的影响点缺陷对晶体性质的影响 1对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻2对力学性能的影响 在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只是通过和位错交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺陷和挤塞子（间隙原子），会引起晶体显著硬化和脆化。 3对比容的影响 在一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等 晶体缺陷最新课件316
15、点缺陷小结点缺陷小结1、点缺陷是热力学稳定的缺陷。点缺陷是热力学稳定的缺陷。2 2、不同金属点缺陷形成能不同。、不同金属点缺陷形成能不同。3 3、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关4 4、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响5 5、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响有重要影响18晶体缺陷最新课件3.2 位错的基本概念位错的基本概念3.2.1位错概念的引入位错概念的引入 1926年年 Frank计算了理论剪切强度，与实际剪切计算了理论
16、剪切强度，与实际剪切 强度相比，相差强度相比，相差个数量级，当时无法解释，个数量级，当时无法解释， 此矛盾持续了很长时间此矛盾持续了很长时间 。下页下页后退后退晶体缺陷最新课件图图3.4 原子层相对位移时势能和作用力的变化原子层相对位移时势能和作用力的变化晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件1947年年Cottrell发表了溶质原子与位错间交互作用发表了溶质原子与位错间交互作用 的研究报告的研究报告 。1950年年Frank and Reed同时提出了位错萌生机制。同时提出了位错萌生机制。 1957年公布了世界上第一张位错照片。年公布了世界上第一张位错照片。 今天，位错理论已经成为塑性变形及强化的
17、理论基础今天，位错理论已经成为塑性变形及强化的理论基础 1939年年 Burgers提出柏氏矢量提出柏氏矢量b以表征位错的特征，以表征位错的特征， 阐述了位错弹性应力场理论。阐述了位错弹性应力场理论。下页下页后退后退1934年年 Taylor在晶体中引入位错概念，将位错与在晶体中引入位错概念，将位错与 晶体结构、晶体的滑移联系起来解释了这种差异晶体结构、晶体的滑移联系起来解释了这种差异 。晶体缺陷最新课件3.2.23.2.2位错类型位错类型位错类型位错类型 刃型位错：刃型位错：螺型位错：螺型位错：混合型位错：混合型位错： 刃型位错原子模型刃型位错原子模型刃型位错的局部滑移刃型位错的局部滑移晶体
18、的局部滑移晶体的局部滑移螺型位错的原子组态螺型位错的原子组态晶体的局部滑移晶体的局部滑移混合型位错的原子组态混合型位错的原子组态下页下页后退后退晶体缺陷最新课件刃型位错的原子模型晶体缺陷最新课件位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边 位错宽度，25个原子间距 位错是一管道 额外（多余）半原子面 滑移矢量 滑移面 刃位错不一定是直线，可为纯刃型位错环 刃位错基本点如下：晶体缺陷最新课件刃型位错特征： 1）刃型位错有一额外半原子面 2）位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。 3）位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应
19、变 位错是一管道 晶体缺陷最新课件3.2.3. 3.2.3. 螺型位错螺型位错 图为螺型位错形成模型晶体缺陷最新课件螺型位错螺型位错-特征：1）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称 2）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线 3）包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限 4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷） 5）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直28晶体缺陷最新课件3.2.4. 混合位错混合位错位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意角
20、度，图为混合位错的产生晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件3 33 3 柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”，用b表示1 1柏氏矢量的确定（方法与步骤）柏氏矢量的确定（方法与步骤） 1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致 3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。晶体缺陷最新课件如右图为刃型位
21、错的柏氏回路与柏氏矢量 晶体缺陷最新课件图为螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量33晶体缺陷最新课件2 2柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义1） 表征位错线的性质据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，2）b表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。 晶体缺陷最新课件3柏氏矢量特征 1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关 2）几根位
22、错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零 晶体缺陷最新课件36晶体缺陷最新课件37晶体缺陷最新课件3.43.41 1 位错的易动性位错的易动性 位错的易动性，如图可见，当外加一切应力时,滑移面上下方原子发生相对位移,位错中心由于能量高,位移更大些,使B原子与A原子逐渐接近,C原子与A原子距离则逐渐拉大.当应力增大时,B与A进一步接近,以至结合成原子对,位错中心移至C处.3. 4 3. 4 位错的运动位错的运动 晶体缺陷最新课件 位错线中心沿作用力方向前进过程中,原子的实际位移远小于原子间距.
23、位错线就是按这一方式逐渐前进,最终离开晶体,此时晶体右侧表面形成一原子间距的台阶.当很多位错移出晶体时,晶体发生宏观塑性变形.晶体缺陷最新课件3.43.42 2 刃型位错的运动刃型位错的运动-两种方式：滑移、攀移1滑移 位错线在滑移面上的运动，如图，位错线移动到晶体表面时，位错即消失，形成柏氏矢量值大小的滑移台阶。 晶体缺陷最新课件2攀移-刃型位错垂直于滑移面方向的运动41晶体缺陷最新课件正攀移正攀移：额外半原子面下端原子扩散出去，或与空位交换位置，位错线向上运动性质：性质：空位和原子的扩散，引起晶体体积变化，叫非守恒（非保守）运动 影响攀移因素：影响攀移因素：温度。温度升高，原子扩散能力增大
24、，攀移易于进行 正应力。垂直于额外关原子面的压应力，促进正攀移，拉应力，促进负攀移 晶体缺陷最新课件3.43.43 3 螺型位错的运动螺型位错的运动 螺位错无多余半原子面，只能作滑移。图为螺型位错滑移时周围原子的移动情况晶体缺陷最新课件3.43.44 4 混合位错的运动混合位错的运动混合位错的滑移过程44晶体缺陷最新课件ttttbScrew ttbEdge Slip of dislocation bbtMixed dislocation晶体缺陷最新课件小结小结: : 位错的滑移是在切应力作用下进行的位错的滑移是在切应力作用下进行的, ,只有当滑移面上只有当滑移面上的切应力分量达到一定值后位错才
25、能滑移的切应力分量达到一定值后位错才能滑移. .切应力方向切应力方向, ,位错位错运动方向方向运动方向方向, ,及位错通过后引起的晶体滑移方向之间关系如及位错通过后引起的晶体滑移方向之间关系如下下: : 1. 1.使刃位错运动的切应力方向必须与位错线垂直使刃位错运动的切应力方向必须与位错线垂直; ;螺位错螺位错运动的切应力方向与位错线平行运动的切应力方向与位错线平行. . 2. 2.两类型位错线运动方向均与位错线垂直两类型位错线运动方向均与位错线垂直, ,但位错通过后但位错通过后, ,对刃位错对刃位错, ,晶体滑移方向与位错运动方向一致晶体滑移方向与位错运动方向一致; ;而螺位错引起而螺位错引
26、起的晶体滑移方向与位错运动方向垂直的晶体滑移方向与位错运动方向垂直. .上述两点可由柏氏矢量进行统一上述两点可由柏氏矢量进行统一: : 1. 1.使两类位错滑移的切应力方向和柏氏矢量都是一致的使两类位错滑移的切应力方向和柏氏矢量都是一致的; ; 2. 2.位错通过后位错通过后, ,滑移面两侧晶体的相对位移也与柏氏矢量一滑移面两侧晶体的相对位移也与柏氏矢量一致致. .即位错引起的滑移效果可以用柏氏矢量来描述即位错引起的滑移效果可以用柏氏矢量来描述. .晶体缺陷最新课件位错环的运动47晶体缺陷最新课件l位错运动的交割a. 割阶和扭折 在位错滑动过程中，其位错线往往很难同时实现全长的运动。因而一根运
27、动的位错线，特别是受到阻碍的情况下，有可能通过其中一部分线段首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，则称为割阶。扭折和割阶也可由位错之间交割形成。晶体缺陷最新课件（1）. 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割b. 几种典型的位错交割晶体缺陷最新课件（2）. 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件小结：1.运动位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折或割阶，其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量，但具有原位错的柏氏矢量；2.所有的割阶都是刃型位错，但扭折可以使刃型的也可以是螺型的；3.扭折与原位错
28、线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动几乎不产生阻力，且在张力作用下易于消失；4.割阶与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，称为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化。晶体缺陷最新课件l带割阶的位错运动晶体缺陷最新课件3.5 位错的弹性性质3.5.1 位错的应力场单元体上的应力分量晶体缺陷最新课件a a螺型位错的应力场螺型位错的应力场螺型位错的应力场螺型位错的应力场 下页下页晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件b b刃型位错的应力场刃型位错的应力场刃型位错的应力场刃型位错的应力场 晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新
29、课件3.5.2位错的应变能 据胡克定律，弹性体内应力与应变成正比 而单位体积储存的弹性能等于应力应变曲线上阴影区域的面积晶体缺陷最新课件 在含有螺型位错的圆柱体内取一微圆环，易知在距中心r处沿2r的周向长度上，总的切变形量为b，所以各点的切变为 据胡克定律位错周围的切应力为 所以图中微圆环的应变能为晶体缺陷最新课件 对du从圆柱体半径为r0处至圆柱体外r1处进行积分，就得到单位长度螺位错的应变能： 刃型位错：螺型位错：r0位错内部半径位错内部半径 r1位错在晶体中的影响范围位错在晶体中的影响范围下页下页后退后退晶体缺陷最新课件无论是刃型、螺型还是混合型位错，均有：无论是刃型、螺型还是混合型位错
30、，均有： a常取常取0.51.0，螺型位错取，螺型位错取0.5，刃型位错取，刃型位错取1.0，即位，即位错的能量与切变模的平方成正比，所以柏氏矢量的模错的能量与切变模的平方成正比，所以柏氏矢量的模是影响位错能量的最重要因素是影响位错能量的最重要因素 下页下页后退后退晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件TR线张力是位错的一种弹性性质.当位错受力发生弯曲时,线张力线张力使位错线尽量拉直.因为位错的能量与其长度成正比,位错弯曲使位错线增长,其能量也增高,因此位错线张力有尽量缩短位错长度使位错变直的趋势.与表面张力和表面能之间的关系一样,位错线张力与位错能在数值上相等,只是量纲的表现形式不同.应变能为Jm
31、-1,而线张力为N(=Nmm-1= Jm-1).3.5.3位错的线张力晶体缺陷最新课件平衡时，位错上的作用力与线张力在水平方向平衡时，位错上的作用力与线张力在水平方向上相等，即：上相等，即：由此可知，保持位错线弯曲所需的切应力与曲率由此可知，保持位错线弯曲所需的切应力与曲率半径成反比，这一关系式对位错运动及增殖有重半径成反比，这一关系式对位错运动及增殖有重要意义。要意义。下页下页后退后退晶体缺陷最新课件 与柏氏矢量平行的切应力可使刃位错沿自身法线方向移动，应用虚功原理，求法向“滑移力”。 如图，设外加应力使一位错线段dl在滑移面上没移ds距离，此线段的运动促使dA面上边的晶块相对下面的晶块错开
32、了一柏氏矢量b。 作功 法向力F作为 故作用于单位长度位错线上力为： Fd=b 3.5.4 作用在位错上的力晶体缺陷最新课件刃型位错的“攀移力” 设有一单位长度位错线，当晶体受到x方向拉应力作用后，此位错线段在Fy作用下向下移动dy距离。位错攀移所消耗的功为 位错向下攀移dy距离后，在x方向推开一个b大小，引起晶体膨胀为 而正应力所做的膨胀功为根据虚功原理可得：晶体缺陷最新课件下页下页后退后退rrb1b2FFFFb2b13.5.4 位错间的交互作用力a. 两平行螺位错的交互作用在距离b1为r处所产生的切应力为：在切应力作用下，b2受到的力为：晶体缺陷最新课件b. 两平行刃位错的交互作用 在e1
33、的应力场中只有切应力分量和正应力分量 对e2起作用晶体缺陷最新课件3.6 位错的增殖3.6.1 位错的密度单位体积中位错线的总长度 为了简单起见，把位错看作直线，且从晶体的一端平行地延伸至另一端。则有：单位面积穿过的位错线数目晶体缺陷最新课件3.6.2 位错的增殖1.Frank-Read 位错源晶体缺陷最新课件2.双交滑移机制晶体缺陷最新课件3.7 实际晶体中的位错3.7.1 实际晶体中位错的柏氏矢量 a. 柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法 对于立方晶系晶体，可用与柏氏矢量同向的晶向指数表示。例如柏氏矢量等于从体心立方晶体的原点到体心的矢量， ，可写成 。一般立方晶系中柏氏矢量可表示为 ，
34、其中n为正整数。晶体缺陷最新课件 b. 实际柏氏矢量的表示方法实际柏氏矢量的表示方法 简单立方中的柏氏矢量b总是等于点阵矢量。但实际晶体中，位错的柏氏矢量b除了点阵矢量外，还可能小于点阵矢量。 通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为“单位单位位错位错”； 把柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为把柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为“全位错全位错” 把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为“不全位错不全位错”。 全位错滑移后晶体原子排列不变；不全位错滑移后原子排列规律发生变化晶体缺陷最新课件 实际晶体结构中，位错的
35、柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。晶体结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一个平衡位置。从能量条件看，由于位错能量正比于b2，b越小越稳定，即单位位错应该是最稳定的位错。晶体缺陷最新课件 c. 堆垛层错堆垛层错晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件 实际晶体结构中，密排面的正常堆垛次序可能遭到错排和破坏，称为堆垛层错。晶体缺陷最新课件 d. 不全位错不全位错 若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量b不等于点阵矢量的不全位错。 在面心立方晶体中，有两种重要的不全位错：肖克莱（Shockley）不全位错和弗
36、兰克（Frank）不全位错。 晶体缺陷最新课件l肖克莱不全位错 图中左边晶体按BCABC正常顺序堆垛，而右边晶体是按ABCBCAB顺序堆垛，即有层错存在，层错与完整晶体的边界就是肖克莱位错，系刃型不全位错。 根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯刃型，也可以是纯螺型或混合型。肖克莱不全位错可以在其所在的111面上滑移，滑移的结果使层错扩大或缩小。晶体缺陷最新课件晶体缺陷最新课件l弗兰克不全位错 图为抽去半层密排面形成的弗兰克不全位错。与抽出型层错联系的不全位错通常称负弗兰克不全位错，而与插人型层错相联系的不全位错称为正弗兰克不全位错。它们的柏氏矢量都属于 。弗兰克位错属纯刃型位错。 晶
37、体缺陷最新课件e. e.位错的合成与分解位错的合成与分解位错的合成与分解位错的合成与分解 位错反应的两个条件位错反应的两个条件几何条件：几何条件： ，即反应前后位错在三维方向的，即反应前后位错在三维方向的 矢量之和必须相等矢量之和必须相等 能量条件：能量条件： ，即位错反应后应变能必须降低，即位错反应后应变能必须降低， 这是反应进行的驱动力这是反应进行的驱动力 下页下页后退后退晶体缺陷最新课件 判断位错反应能否进行判断位错反应能否进行判断位错反应能否进行判断位错反应能否进行 几何条件：几何条件： 能量条件：能量条件：此反应满足几何与能量条件，故反应成立。此反应满足几何与能量条件，故反应成立。下
38、页下页后退后退晶体缺陷最新课件扩展位错扩展位错又两个不全位错，中间夹一层错的又两个不全位错，中间夹一层错的 位错组态。位错组态。 扩展位错宽度扩展位错宽度df. fcc中全位错的分解及扩展位错中全位错的分解及扩展位错下页下页后退后退晶体缺陷最新课件下页下页后退后退晶体缺陷最新课件下页下页后退后退晶体缺陷最新课件面心立方晶面心立方晶体全位错与体全位错与分位错的滑分位错的滑移移下页下页后退后退晶体缺陷最新课件l扩展位错的集束 由于扩展位错的宽度主要取决于晶体的层错能，因此凡是影响层错能的因素都将影响位错的宽度。当扩展位错的局部区域受到某种障碍时，扩展位错在外力作用下其宽度将缩小，甚至重新收缩成原来
39、的全位错，称为束集（位错扩展的反过程）。晶体缺陷最新课件l扩展位错的交滑移晶体缺陷最新课件l面角位错晶体缺陷最新课件小结小结1)位错实际上并不是跟线，而是具有一定宽度的管道；位错实际上并不是跟线，而是具有一定宽度的管道；2)位错线是晶体中已滑移区与未滑移区的边界；位错线是晶体中已滑移区与未滑移区的边界；3)位错线周围的点阵发生弹性畸变，其能量比其它地位错线周围的点阵发生弹性畸变，其能量比其它地区高，并发生应力场，此应力场对晶体中的溶质原子区高，并发生应力场，此应力场对晶体中的溶质原子或其它缺陷将发生交互作用，对金属和合金的性能将或其它缺陷将发生交互作用，对金属和合金的性能将发生影响；发生影响；
40、下页下页后退后退晶体缺陷最新课件6)位错的滑移面就是位错线与它的柏氏矢量构成的晶位错的滑移面就是位错线与它的柏氏矢量构成的晶 面，即滑移面；而一定晶体的滑移面，是指该晶体面，即滑移面；而一定晶体的滑移面，是指该晶体 的原子密排面，即易滑移面；位错的可滑移面不一的原子密排面，即易滑移面；位错的可滑移面不一 定是晶体的易滑移面，当两个滑移面重合时，滑移定是晶体的易滑移面，当两个滑移面重合时，滑移 才容易进行。才容易进行。4)位错运动不能引起晶体结构的变化，只能引起晶体位错运动不能引起晶体结构的变化，只能引起晶体 缺陷组态与分布的变化；缺陷组态与分布的变化；5)刃位错有一额外半原子面，位错线呈任意形
41、状；螺刃位错有一额外半原子面，位错线呈任意形状；螺 型位错无额外半原子面，其位错线一定是直线；型位错无额外半原子面，其位错线一定是直线；下页下页后退后退晶体缺陷最新课件第四节第四节 金属中的界面金属中的界面金属界面的分类金属界面的分类 外部表面：表面的结构、成分和性质均与晶体内外部表面：表面的结构、成分和性质均与晶体内 部不同，表面能多以表面表示。部不同，表面能多以表面表示。内在界面内在界面 晶界：位向不同的相邻晶粒间的界面晶界：位向不同的相邻晶粒间的界面 晶内的孪晶界：平均直径晶内的孪晶界：平均直径0.001mm，每个晶粒内，每个晶粒内 相邻亚晶粒间界面。相邻亚晶粒间界面。 下页下页后退后退
42、晶体缺陷最新课件 晶内的亚晶界：晶体中一部分原子以每一界面为共有晶内的亚晶界：晶体中一部分原子以每一界面为共有 面而与令一部分原子呈晶面对称排列时，面而与令一部分原子呈晶面对称排列时， 称为孪晶，称为孪晶， 孪晶之间的界面即为孪晶界。孪晶之间的界面即为孪晶界。 晶内的层晶界：堆垛层错是一种典型的共格界面晶内的层晶界：堆垛层错是一种典型的共格界面 晶内的相界：两相间的界面晶内的相界：两相间的界面 结构结构结构结构 共格界面：两晶粒的原子在界面上完全相互匹配共格界面：两晶粒的原子在界面上完全相互匹配 半共格界面：界面两侧两相点阵结构相近而原子间距相差较大半共格界面：界面两侧两相点阵结构相近而原子间
43、距相差较大 外共格界面：两相原子在界面上无任何匹配关系外共格界面：两相原子在界面上无任何匹配关系 下页下页晶体缺陷最新课件 性质性质性质性质 界面能界面能单位面积界面的自由焓单位面积界面的自由焓大角度晶界的大角度晶界的 小角度晶界的小角度晶界的外共晶格界面的外共晶格界面的 半共晶格界面的半共晶格界面的 共晶格界面的共晶格界面的r 下页下页后退后退晶体缺陷最新课件本章思考题本章思考题1.各种晶体缺陷地异同各种晶体缺陷地异同?2.晶体滑移与位错运动的关系晶体滑移与位错运动的关系?3.位错的应变能位错的应变能?4.位错与点缺陷的交互作用位错与点缺陷的交互作用?5.位错间的交互作用位错间的交互作用?6.位错的分解与合成位错的分解与合成?晶体缺陷最新课件
