實際晶體中位錯的行為

1、本節(jié)要點本節(jié)要點：掌握扭折與割階的概念掌握扭折與割階的概念學(xué)會判斷割階的位錯類型學(xué)會判斷割階的位錯類型學(xué)會判斷可動割階與不可動割階學(xué)會判斷可動割階與不可動割階9.2 位錯的彎折與割階位錯的彎折與割階 9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 基本概念基本概念林位錯林位錯：穿過某一晶面的若干位錯，稱為這個晶面的林位錯。：穿過某一晶面的若干位錯，稱為這個晶面的林位錯。位錯的交割（或交截）位錯的交割（或交截）：兩個位錯交叉通過的行為。：兩個位錯交叉通過的行為。位錯相互交割后，將使位錯產(chǎn)生彎折，生成位錯折線，這種折位錯相互交割后，將使位錯產(chǎn)生彎折，生成位錯折線，這種折線有兩種：線有兩種：割階：割階

2、：垂直滑移面的折線，在位錯運(yùn)動中不消失。垂直滑移面的折線，在位錯運(yùn)動中不消失。扭折：扭折：在滑移面上的折線，在位錯運(yùn)動中能消失。在滑移面上的折線，在位錯運(yùn)動中能消失。9.2 位錯的彎折與割階位錯的彎折與割階 9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 如何判斷扭折是否是割階？ 判據(jù)：交割后判據(jù)：交割后折線段的滑移面折線段的滑移面是否與是否與原位錯的滑移面原位錯的滑移面重合，重合， 若重合則可在位錯運(yùn)動中消失，若重合則可在位錯運(yùn)動中消失，扭折扭折； 若不重合則叫若不重合則叫割階割階。 割階按是否可以隨原位錯一起滑動又分為割階按是否可以隨原位錯一起滑動又分為可動割階可動割階和和不不可動割階?？蓜?/p>

3、割階。折線段的滑移面折線段的滑移面是交割后的折線段與其柏氏矢量構(gòu)成的平是交割后的折線段與其柏氏矢量構(gòu)成的平面。面。AB與與CD交割，產(chǎn)生交割，產(chǎn)生折線段折線段OO，其柏氏，其柏氏矢量同于矢量同于b2，是型刃，是型刃位錯，長度為位錯，長度為|b1|b2與與b1和和AB的滑移的滑移面面S1法線垂直，故法線垂直，故AB被被CD切割后，不切割后，不會發(fā)生扭折。會發(fā)生扭折。(1) 柏氏矢量相互垂直的兩刃型位錯的交割柏氏矢量相互垂直的兩刃型位錯的交割幾種典型的位錯交割幾種典型的位錯交割基本概念基本概念刃9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 模型。模型。（2）柏氏矢量平行的兩刃型位錯的交割）柏氏矢量

4、平行的兩刃型位錯的交割(b1=-b2)PP=|b1|，PP與其柏氏矢量與其柏氏矢量b2同向，是螺型位錯，滑移面與同向，是螺型位錯，滑移面與AB相同，所以相同，所以PP是扭折，是扭折，可消失可消失 ；QQ=|b2|，與，與PP相同，可消失相同，可消失.S1S1v幾種典型的位錯交割幾種典型的位錯交割刃基本概念基本概念9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 9.2 位錯的彎折與割階位錯的彎折與割階 折線段折線段O2O2=|b1|， O2O2與其柏氏矢量與其柏氏矢量b2同向，是螺型位錯，滑移面與同向，是螺型位錯，滑移面與CD相相同，所以同，所以O(shè)2O2是扭折，可消失是扭折，可消失 ；同理同理O1

5、O1也是扭折也是扭折.（2）柏氏矢量平行的兩刃型位錯的交割（）柏氏矢量平行的兩刃型位錯的交割（b1=b2）幾種典型的位錯交割幾種典型的位錯交割9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 9.2 位錯的彎折與割階位錯的彎折與割階 （3）刃型位錯與螺型位錯的交截）刃型位錯與螺型位錯的交截 柏氏矢量為柏氏矢量為b1的刃型的刃型位錯位錯AB，與螺型位錯，與螺型位錯CD交割后，分別形成割交割后，分別形成割階階O1O 1與與O2O2 ;O1O 1與與b1垂直，為刃垂直，為刃型位錯，滑移方向與原型位錯，滑移方向與原位錯相同，故為可動割位錯相同，故為可動割階；階；O2O2 在螺型位錯的滑在螺型位錯的滑移面上

6、，螺位錯運(yùn)動時移面上，螺位錯運(yùn)動時可被拉直，是扭折可被拉直，是扭折.基本概念基本概念9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 9.2 位錯的彎折與割階位錯的彎折與割階 （4）兩螺型位錯的交割）兩螺型位錯的交割 柏氏矢量相互垂直的兩螺型位錯柏氏矢量相互垂直的兩螺型位錯CD被被AB交割后形成割階交割后形成割階OO，為刃型位錯，滑移面為，為刃型位錯，滑移面為OO與與b2構(gòu)成的平面構(gòu)成的平面S3，只能隨著，只能隨著CD攀移，難以運(yùn)動；攀移，難以運(yùn)動；AB被被CD交割情況同上。交割情況同上。基本概念基本概念（5）刃型位錯與刃型林位錯的交割）刃型位錯與刃型林位錯的交割 AB與與CD交割后交割后:OO

7、=b1 ;bOO =b2 ;刃型位錯：被交割后必產(chǎn)生扭折或可動割刃型位錯：被交割后必產(chǎn)生扭折或可動割階。階。螺型位錯：被交割后產(chǎn)生的割階必為刃型螺型位錯：被交割后產(chǎn)生的割階必為刃型位錯且為不動割階。位錯且為不動割階。 小結(jié)小結(jié)帶割階的位錯運(yùn)動帶割階的位錯運(yùn)動刃型位錯：被交割后形成割階的可滑移方刃型位錯：被交割后形成割階的可滑移方向與原位錯的滑移方向一致，因而是可動向與原位錯的滑移方向一致，因而是可動割階，但由于位錯線變長，且割階的可滑割階，但由于位錯線變長，且割階的可滑移方向未必是易滑移方向，位錯運(yùn)動的阻移方向未必是易滑移方向，位錯運(yùn)動的阻力增加。力增加。螺型位錯：割階只能攀移，不能滑移，阻螺

8、型位錯：割階只能攀移，不能滑移，阻力大，甚至可釘扎位錯。力大，甚至可釘扎位錯。 9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 9.2 位錯的彎折與割階位錯的彎折與割階 1. 1. 帶小割階的位錯運(yùn)動帶小割階的位錯運(yùn)動小割階大小為小割階大小為12個原子間距。個原子間距。（a）位錯變長，運(yùn)動阻力增加；）位錯變長，運(yùn)動阻力增加；（b）小割階不動，位錯沿著滑移面）小割階不動，位錯沿著滑移面運(yùn)動；運(yùn)動；（c）外力足夠大，割階攀移，后面）外力足夠大，割階攀移，后面留下空位或間隙原子。留下空位或間隙原子。刃型位錯正攀移留下間隙原子；負(fù)刃型位錯正攀移留下間隙原子；負(fù)攀移留下空位。攀移留下空位。左螺位錯1. 1

9、. 帶小割階的位錯運(yùn)動帶小割階的位錯運(yùn)動9 位錯的交割與割階位錯的交割與割階9.3 帶割階的位錯運(yùn)動帶割階的位錯運(yùn)動比爾弼法則1.根據(jù)螺位錯類型選擇左右手;2.手臂指向為刃位錯線方向;3.拇指指向柏氏矢量方向,則手掌所在面必為刃位錯滑移面;4.手背朝向多余半原子面.2. 2. 帶位錯偶極的位錯運(yùn)動帶位錯偶極的位錯運(yùn)動割階大小為幾個到割階大小為幾個到20個原子間距。個原子間距。OO和和PP符號相反的刃型位錯稱為符號相反的刃型位錯稱為位錯偶極位錯偶極。3. 3. 帶大割階的位錯運(yùn)動帶大割階的位錯運(yùn)動割階大小為割階大小為2030個原子間距，稱為個原子間距，稱為大割階大割階。釘扎作用顯著，割階以外的位

10、錯相釘扎作用顯著，割階以外的位錯相距極遠(yuǎn)，其間的應(yīng)力場交互作用甚距極遠(yuǎn)，其間的應(yīng)力場交互作用甚小，各自在小，各自在S1、S2上滑動。上滑動。10 位錯的增殖與萌生位錯的增殖與萌生10.1 位錯的形成位錯的形成在晶體形成過程中會產(chǎn)生大量，有如下三種途徑：在晶體形成過程中會產(chǎn)生大量，有如下三種途徑：（1）在凝固過程中形成）在凝固過程中形成（2）由晶體在冷卻時形成的局部內(nèi)應(yīng)力所造成）由晶體在冷卻時形成的局部內(nèi)應(yīng)力所造成（3）由空位聚集形成）由空位聚集形成（1）在凝固過程中形成）在凝固過程中形成 樹枝狀晶體生長相遇后發(fā)生碰撞； 液體流動時對晶體的沖擊，使晶體表面發(fā)生錯排形成大臺階； 濃度起伏造成點陣常

11、數(shù)的偏差； 結(jié)晶前沿障礙物造成不同部分的位相差。（2）由晶體在冷卻時形成的局部內(nèi)應(yīng)力所造成）由晶體在冷卻時形成的局部內(nèi)應(yīng)力所造成半徑R的夾雜物對基體產(chǎn)生壓力，在110方向產(chǎn)生分切應(yīng)力，應(yīng)力足夠大時，產(chǎn)生一小段位錯CAB，其柏氏矢量為1/2110。（111）(c) C，B處分別是右左螺型位錯;(d) 異號螺位錯相遇抵消，產(chǎn)生一個位錯環(huán)。CB右螺位錯左螺位錯（3）由空位聚集形成）由空位聚集形成 在高溫時，晶體中的空位濃度很高，有聚集成片以降低組臺能的趨勢，晶體中空位片足夠大時兩邊晶體塌陷下來，在周圍形成位錯環(huán)。 面心立方晶體中，空位常在111晶面上聚集成片。該位錯環(huán)是刃型位錯。 10 位錯的增殖與

12、萌生位錯的增殖與萌生10.2 位錯的增殖位錯的增殖（1）弗蘭克）弗蘭克-瑞德增殖機(jī)理瑞德增殖機(jī)理以正刃型位錯以正刃型位錯AB為例：為例：位錯受力大?。篎=tb位錯受力方向：垂直位錯各點受力相同，各點線速度相同，離A、B越近，角速度大，形成點彎曲。受力分析位錯線上各點性質(zhì)不同：位錯線上各點性質(zhì)不同： 2、4 負(fù)刃位錯 6正刃位錯 1、5右螺型位錯 3、7左螺型位錯 AB位錯線段是一個位錯的增值機(jī)構(gòu)位錯線段是一個位錯的增值機(jī)構(gòu),在外力作用在外力作用下能源源不斷地產(chǎn)生位錯環(huán)。下能源源不斷地產(chǎn)生位錯環(huán)。tt符合上述增殖原理的增殖機(jī)制，叫弗蘭克符合上述增殖原理的增殖機(jī)制，叫弗蘭克-瑞德位瑞德位錯源，簡稱

13、錯源，簡稱F-R源，又叫源，又叫U型平面位錯源。型平面位錯源。P118 實際的例子。實際的例子。單邊單邊F-R源機(jī)制，也叫源機(jī)制，也叫L平面源平面源 AB是在滑移面上可動位錯，是在滑移面上可動位錯，BC不動位錯，不動位錯，B點被固定。點被固定。 外力作用下，外力作用下，AB開始滑移，開始滑移，AB繞繞B轉(zhuǎn)動，不斷向外擴(kuò)展，向外轉(zhuǎn)動，不斷向外擴(kuò)展，向外擴(kuò)展的旋轉(zhuǎn)線，掃過滑移面一遍，相當(dāng)于一個位錯掃除晶體，發(fā)擴(kuò)展的旋轉(zhuǎn)線，掃過滑移面一遍，相當(dāng)于一個位錯掃除晶體，發(fā)生柏氏矢量生柏氏矢量b的滑移。的滑移。單邊單邊F-R源機(jī)制源機(jī)制tt單邊單邊F-R源機(jī)制，也叫源機(jī)制，也叫L平面源平面源 AB是在滑移面

14、上可動位錯，是在滑移面上可動位錯，BC不動位錯，不動位錯，B點被固定。點被固定。 雙交滑移平面源雙交滑移平面源（111）（2）位錯源的開動受力分析）位錯源的開動受力分析 若若F-R源中源中AB長長L,使使AB彎曲的最小曲率半徑彎曲的最小曲率半徑r=L/2，對，對應(yīng)臨界應(yīng)力為：應(yīng)臨界應(yīng)力為： G10,1nm. 0bm1L24tt則，一般情況，LGbrGbrbT此結(jié)果與實際情況非常相符。此結(jié)果與實際情況非常相符。參考8.4.3 位錯的受力位錯的受力 2221GbGbWT8.4.3 位錯的受力位錯的受力8.4 位錯的彈性性質(zhì)位錯的彈性性質(zhì)2.2.位錯的線張力位錯的線張力T TdlbFtt)(2sin

15、2)(dTFTdtbdl外加應(yīng)力t作用在位錯dl上的力：TT線張力與F(t)相反方向產(chǎn)生F(T)：ttt2TrGbbrbT或F(t)與F（T）平衡：222sin2ttdTrdbdTdlb則：位錯的總應(yīng)變能與位錯的長度成正比，所以位錯線有盡量縮短長度自動變直的趨勢，好像有個張力，這個力就是位錯的線張力，定義為：使位錯線增長一定長度dl所作的功W，等于位錯的應(yīng)變能。221GbT r 在簡單立方結(jié)構(gòu)中的位錯，其 b 總是等于點陣矢量。實際晶體中根據(jù)柏氏矢量的不同，可把位錯分為以下幾種形式；（1） b 等于單位點陣矢量的稱為“單位位錯單位位錯”。（2） b等于單位點陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯全位錯”（

16、3） b 不等于單位點陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位不全位錯錯”或稱或稱“部分位錯部分位錯” 9 實際晶體中位錯的行為實際晶體中位錯的行為 9.3 全位錯能量條件與滑移系統(tǒng)全位錯能量條件與滑移系統(tǒng)FCC全位錯原子排列示意圖，圖面為（111）面柏氏矢量可用數(shù)字及符號表示對fcc晶體，110是原子最密排的晶向，此晶向相鄰兩原子在三坐標(biāo)軸上的投影為a/2、a/2、0，故單位位錯柏氏矢量:bcc hcp 柏氏矢量可以相加，設(shè) = 1+ 2，其中 1=100，則 本節(jié)只討論面心立方金屬中的位錯 abab22|,1102 Rbab23|1112 abab|02113 b b b b 21bbb 111210

17、0aa 1112a 層錯區(qū)與完整晶體的交界處，為層錯區(qū)與完整晶體的交界處，為“不全位錯不全位錯”。1肖克萊（Shockley）不全位錯如圖，為fcc晶體的（ ）面，使A層以上原子相對于C層作滑移，使ABCAB，此時滑移是不均勻的，即滑移中止在晶體內(nèi)部，這樣就在局部地區(qū)形成層錯。其與完整晶體的交界區(qū)域即為Shockley不全位錯。011 特征：（1） （2） ，且垂直于位錯線，為純?nèi)行停部蔀榧兟菪突蚧旌闲?（3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛層錯的111面上滑移，引起層錯面的擴(kuò)散或收縮，但不能離開層錯面。 abab66| 121 6 111/b 2弗蘭克（弗蘭克（Frank）不全位錯）不全位

18、錯 在fcc晶體中插入或抽走一層（111）面，就會形成堆垛層錯。若插入或抽走的只是一部分，層錯與完整晶體邊界即所謂“Frank位錯”。如圖6-60，為插入型弗蘭克不全位錯（叫正弗蘭克不全位錯），抽出型如圖6-61（叫負(fù)弗蘭克不全位錯）。 正弗蘭克位錯可由填隙原子聚集成園盤而形成負(fù)弗蘭克位錯可由空位盤崩塌而形成。特征：1） ， b與層錯面和位錯線垂直，故是純?nèi)行?2）只能攀移，而攀移必須借助原子的擴(kuò)散，故運(yùn)動困難，稱為固定位錯。不全位錯的柏氏矢量亦可通過柏氏回路的方法確定，但回路的起點應(yīng)選擇在層錯面上。abab33|,1113 3.位錯反應(yīng)與擴(kuò)展位錯位錯反應(yīng)與擴(kuò)展位錯(1) 位錯反應(yīng)位錯除相互作

19、用外，還可能發(fā)生分解或合成，即位錯反應(yīng)。位錯反應(yīng)有兩個條件。1）幾何條件：反應(yīng)前各位錯柏氏矢量之和應(yīng)等于反應(yīng)后各 之和即 前= 后 2）能量條件：能量降低的過程 Eb2 b2前b2后1953年湯普森（N. Thompson）引入?yún)⒖妓拿骟w和一套標(biāo)記來描述fcc金屬中位錯反應(yīng)，如圖6-62。將四面體以ABC為底展開，各個線段的點陣矢量，即為湯普森記號，它把fcc金屬中重要滑移面、滑移方向、柏氏矢量簡單而清晰地表示出來。 b b b 湯普森（N. Thompson）四面體圖中四面體的六個棱AB、DC為全位錯的柏氏矢量 a、b為弗蘭克不全位錯 A、D為肖克萊不全位錯（a）=（ ） （b）=（ ） （c）=（ ） （d）=（111）為fcc中四個可能滑移面。如：DADr + rA即 幾何條件：右邊兩個不全位錯的 b 在x,