晶體缺陷-2-位錯(cuò)的基本類型與特征.ppt

第三章 晶體缺陷,引 言 晶體缺陷概述及類型 第一節(jié) 點(diǎn)缺陷 第二節(jié) 位錯(cuò)-線缺陷 第三節(jié) 表面及界面,第二節(jié) 位 錯(cuò),2.1、位錯(cuò)的基本類型和特征 2.2、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與彈性性質(zhì) 2.3、實(shí)際晶體中的位錯(cuò),2.1、位錯(cuò)的基本類型和特征,一、位錯(cuò)與塑性變形 二、晶體中的位錯(cuò)模型 三、柏氏矢量,一、位錯(cuò)與塑性變形,人們是從研究晶體的塑性變形中才認(rèn)識(shí)到晶體中存在著位錯(cuò)。,1、塑性變形 塑性變形是晶體在外力作用下產(chǎn)生的永久變形。 滑移是塑性變形的基本方式，它是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。 滑移：各部分晶體相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果使晶體的尺寸沿著受力方向拉長(zhǎng)，直徑變細(xì)，這樣的過(guò)程稱為滑移。,圖 單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下 的變化（宏觀）,（a）變形前,（b）變形后,圖 外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）,2、理想晶體的滑移模型,（1）理論抗剪屈服強(qiáng)度 滑移面上各個(gè)原子在切應(yīng)力作用下，同時(shí)克服相鄰滑移面上原子的作用力前進(jìn)一個(gè)原子間距，完成這一過(guò)程所需的切應(yīng)力就相當(dāng)于晶體的理論抗剪屈服強(qiáng)度m。 （2）理論抗剪屈服強(qiáng)度與晶體的切變模量的關(guān)系 原子的結(jié)合鍵能與彈性模量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此理論抗剪屈服強(qiáng)度m應(yīng)與晶體的切變模量G的大小有一定的關(guān)系，根據(jù)推算兩者之間大致的為：,3、位錯(cuò)概念的引出 （1）實(shí)際抗剪屈服強(qiáng)度與理論抗剪屈服強(qiáng)度之間存在巨大差異。 （2）實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的巨大差異，使人們對(duì)理想晶體的整體滑移方式產(chǎn)生懷疑，認(rèn)識(shí)到晶體中原子排列絕非完全規(guī)則，滑移也不是兩個(gè)原子面之間集體的相對(duì)移動(dòng)。 （3）晶體內(nèi)部一定存在著很多缺陷，既薄弱環(huán)節(jié)，使塑性變形過(guò)程在很低的應(yīng)力下就開始進(jìn)行，這種內(nèi)部缺陷就是位錯(cuò)。 （4）位錯(cuò)的概念及模型很早就已經(jīng)提出，但直到20世紀(jì)50年代中期透射電子顯微技術(shù)的發(fā)展證實(shí)了晶體中位錯(cuò)的存在。,以位錯(cuò)滑移模型計(jì)算出的晶體強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值基本相符。,完整晶體塑性變形-滑移的模型,金屬晶體的理論強(qiáng)度,完整理論強(qiáng)度比實(shí)測(cè)強(qiáng)度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí),晶體缺陷的設(shè)想 線缺陷（位錯(cuò)）的模型,二、晶體中的位錯(cuò)模型,晶體中位錯(cuò)的基本類型分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。 實(shí)際上位錯(cuò)往往是兩種類型的復(fù)合，稱為混合位錯(cuò)。,圖 刃位錯(cuò)示意圖,1、刃位錯(cuò),形成及定義：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)。 分類：正刃位錯(cuò)， “” ；負(fù)刃位錯(cuò)， “T” 。符號(hào)中水平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。 幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相垂直； 正刃位錯(cuò)：滑移面上部位錯(cuò)線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯(cuò)線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。,刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)： 1).刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。 2).刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。 3).滑移面必定同時(shí)包含位錯(cuò)線和滑移矢量，其它面上不能滑移。,圖 不同形狀的刃型位錯(cuò),圖 螺位錯(cuò)形成示意圖,2、螺位錯(cuò),（a）立體圖； （b）頂視圖 圖 螺型位錯(cuò)的原子組態(tài),圖 螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意,形成及定義：晶體在外加切應(yīng)力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位錯(cuò)線周圍的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺位錯(cuò)。 幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相平行；位錯(cuò)線周圍原子的配置是螺旋狀的。 分類：有左、右旋之分，分別以符號(hào)“”和“”表示。其中小圓點(diǎn)代表與該點(diǎn)垂直的位錯(cuò)，旋轉(zhuǎn)箭頭表示螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。它們之間符合左手、右手螺旋定則。,位錯(cuò)的特征歸納： （1）可以把位錯(cuò)定義為晶體中以滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。 （2）刃型位錯(cuò)不僅僅指刀刃處的一條原子，而是刀刃處這列原子及其周圍區(qū)域。 （3）刃型位錯(cuò)中，晶體發(fā)生局部滑移的方向（或滑移矢量）是與位錯(cuò)線垂直的。 （4）螺型位錯(cuò)中，晶體發(fā)生局部滑移的方向（或滑移矢量）是與位錯(cuò)線平行的。,在外力作用下，兩部分之間發(fā)生相對(duì)滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向，這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。 位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。,3、混合位錯(cuò),（a）混合位錯(cuò)的形成,（b）混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖,（c）混合位錯(cuò)線附近原子滑移透視圖,4、位錯(cuò)的易動(dòng)性,根據(jù)位錯(cuò)模型，晶體中有了位錯(cuò)，滑移就十分容易進(jìn)行。 位錯(cuò)按滑移的方式發(fā)生塑變要比兩個(gè)相鄰原子面整體相對(duì)移動(dòng)容易得多，因此晶體的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得多。 螺型位錯(cuò)的情況與刃型位錯(cuò)一樣具有易動(dòng)性。,刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),三、位錯(cuò)的柏氏矢量,柏氏矢量：晶體中有位錯(cuò)存在時(shí)，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移或畸變。 性質(zhì)：大小表征了位錯(cuò)的單位滑移距離，方向與滑移方向一致（滑移矢量）。 柏氏(Burgers)矢量是一個(gè)矢量，具有方向和大??；這個(gè)物理參量能把位錯(cuò)區(qū)原子的畸變特征表示出來(lái)，包括畸變發(fā)生在什么晶向以及畸變有多大（畸變矢量） 。,1、柏氏矢量的概念與性質(zhì),2、柏氏矢量的確定方法,（1）首先在實(shí)際晶體中圍繞位錯(cuò)線做一個(gè)一定大小的回路，稱柏氏回路。顯然該回路包含了位錯(cuò)的畸變。 （2）然后將同樣大小的回路置于理想晶體中；回路當(dāng)然不可能封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就是該位錯(cuò)線的柏氏矢量。 刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直，并與滑移面平行；螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線平行。,圖 柏氏矢量的確定,圖 刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定,圖 螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定,螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定 (a) 有位錯(cuò)的晶體 (b) 完整晶體,柏氏矢量,（1）柏氏矢量描述了位錯(cuò)線上原子的畸變特征：畸變的方向與大小。 （2）柏氏矢量的另一個(gè)重要意義：滑移矢量。,3、柏氏矢量的意義,4、柏氏矢量的守恒性,對(duì)一條位錯(cuò)線而言，其柏氏矢量是固定不變的，此即位錯(cuò)的柏氏矢量的守恒性。 推論： 1.一條位錯(cuò)線只有一個(gè)柏氏矢量。 2.如果幾條位錯(cuò)線在晶體內(nèi)部相交（交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)），則指向節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和，必然等于離開節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的柏氏矢量之和。,5、柏氏矢量的表示方法,柏氏矢量的表示方法與晶向指數(shù)相似，只不過(guò)晶向指數(shù)沒(méi)有“大小”的概念，而柏氏矢量必須在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來(lái)，因此要同時(shí)標(biāo)出該矢量在各個(gè)晶軸上的分量