實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為

1、本節(jié)要點(diǎn)本節(jié)要點(diǎn)：掌握扭折與割階的概念掌握扭折與割階的概念學(xué)會(huì)判斷割階的位錯(cuò)類型學(xué)會(huì)判斷割階的位錯(cuò)類型學(xué)會(huì)判斷可動(dòng)割階與不可動(dòng)割階學(xué)會(huì)判斷可動(dòng)割階與不可動(dòng)割階9.2 位錯(cuò)的彎折與割階位錯(cuò)的彎折與割階 9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 基本概念基本概念林位錯(cuò)林位錯(cuò)：穿過某一晶面的若干位錯(cuò)，稱為這個(gè)晶面的林位錯(cuò)。：穿過某一晶面的若干位錯(cuò)，稱為這個(gè)晶面的林位錯(cuò)。位錯(cuò)的交割（或交截）位錯(cuò)的交割（或交截）：兩個(gè)位錯(cuò)交叉通過的行為。：兩個(gè)位錯(cuò)交叉通過的行為。位錯(cuò)相互交割后，將使位錯(cuò)產(chǎn)生彎折，生成位錯(cuò)折線，這種折位錯(cuò)相互交割后，將使位錯(cuò)產(chǎn)生彎折，生成位錯(cuò)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(cuò)運(yùn)動(dòng)中不消失。垂直滑移面的折線，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中不消失。扭折：扭折：在滑移面上的折線，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中能消失。在滑移面上的折線，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中能消失。9.2 位錯(cuò)的彎折與割階位錯(cuò)的彎折與割階 9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)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(cuò)的滑移面原位錯(cuò)的滑移面重合，重合， 若重合則可在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中消失，若重合則可在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)一起滑動(dòng)又分為割階按是否可以隨原位錯(cuò)一起滑動(dòng)又分為可動(dòng)割階可動(dòng)割階和和不不可動(dòng)割階。可動(dòng)

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(cuò)，長度為位錯(cuò)，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(huì)發(fā)生扭折。會(huì)發(fā)生扭折。(1) 柏氏矢量相互垂直的兩刃型位錯(cuò)的交割柏氏矢量相互垂直的兩刃型位錯(cuò)的交割幾種典型的位錯(cuò)交割幾種典型的位錯(cuò)交割基本概念基本概念刃9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 模型。模型。（2）柏氏矢量平行的兩刃型位錯(cuò)的交割）柏氏矢量

4、平行的兩刃型位錯(cuò)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(cuò)，滑移面與同向，是螺型位錯(cuò)，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(cuò)交割幾種典型的位錯(cuò)交割刃基本概念基本概念9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 9.2 位錯(cuò)的彎折與割階位錯(cuò)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(cuò)，滑移面與同向，是螺型位錯(cuò)，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(cuò)的交割（）柏氏矢量平行的兩刃型位錯(cuò)的交割（b1=b2）幾種典型的位錯(cuò)交割幾種典型的位錯(cuò)交割9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 9.2 位錯(cuò)的彎折與割階位錯(cuò)的彎折與割階 （3）刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交截）刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交截 柏氏矢量為柏氏矢量為b1的刃型的刃型位錯(cuò)位錯(cuò)AB，與螺型位錯(cuò)，與螺型位錯(cuò)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(cuò)，滑移方向與原型位錯(cuò)，滑移方向與原位錯(cuò)相同，故為可動(dòng)割位錯(cuò)相同，故為可動(dòng)割階；階；O2O2 在螺型位錯(cuò)的滑在螺型位錯(cuò)的滑移面上

6、，螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)移面上，螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)可被拉直，是扭折可被拉直，是扭折.基本概念基本概念9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 9.2 位錯(cuò)的彎折與割階位錯(cuò)的彎折與割階 （4）兩螺型位錯(cuò)的交割）兩螺型位錯(cuò)的交割 柏氏矢量相互垂直的兩螺型位錯(cuò)柏氏矢量相互垂直的兩螺型位錯(cuò)CD被被AB交割后形成割階交割后形成割階OO，為刃型位錯(cuò)，滑移面為，為刃型位錯(cuò)，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(dòng)；攀移，難以運(yùn)動(dòng)；AB被被CD交割情況同上。交割情況同上?；靖拍罨靖拍睿?）刃型位錯(cuò)與刃型林位錯(cuò)的交割）刃型位錯(cuò)與刃型林位錯(cuò)的交割 AB與與CD交割后交割后:OO

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

8、型位錯(cuò)：割階只能攀移，不能滑移，阻力大，甚至可釘扎位錯(cuò)。力大，甚至可釘扎位錯(cuò)。 9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 9.2 位錯(cuò)的彎折與割階位錯(cuò)的彎折與割階 1. 1. 帶小割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶小割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)小割階大小為小割階大小為12個(gè)原子間距。個(gè)原子間距。（a）位錯(cuò)變長，運(yùn)動(dòng)阻力增加；）位錯(cuò)變長，運(yùn)動(dòng)阻力增加；（b）小割階不動(dòng)，位錯(cuò)沿著滑移面）小割階不動(dòng)，位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)；（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(cuò)正攀移留下間隙原子；負(fù)刃型位錯(cuò)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(cuò)1. 1

9、. 帶小割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶小割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)9 位錯(cuò)的交割與割階位錯(cuò)的交割與割階9.3 帶割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)比爾弼法則1.根據(jù)螺位錯(cuò)類型選擇左右手;2.手臂指向?yàn)槿形诲e(cuò)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(cuò)滑移面;4.手背朝向多余半原子面.2. 2. 帶位錯(cuò)偶極的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶位錯(cuò)偶極的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)割階大小為幾個(gè)到割階大小為幾個(gè)到20個(gè)原子間距。個(gè)原子間距。OO和和PP符號(hào)相反的刃型位錯(cuò)稱為符號(hào)相反的刃型位錯(cuò)稱為位錯(cuò)偶極位錯(cuò)偶極。3. 3. 帶大割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶大割階的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)割階大小為割階大小為2030個(gè)原子間距，稱為個(gè)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(cuò)相釘扎作用顯著，割階以外的位錯(cuò)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(dòng)。上滑動(dòng)。10 位錯(cuò)的增殖與萌生位錯(cuò)的增殖與萌生10.1 位錯(cuò)的形成位錯(cuò)的形成在晶體形成過程中會(huì)產(chǎn)生大量，有如下三種途徑：在晶體形成過程中會(huì)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(shí)形成的局部內(nèi)應(yīng)力所造成）由晶體在冷卻時(shí)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(dòng)時(shí)對晶體的沖擊，使晶體表面發(fā)生錯(cuò)排形成大臺(tái)階； 濃度起伏造成點(diǎn)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(shí)形成的局部內(nèi)應(yīng)力所造成）由晶體在冷卻時(shí)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(shí)，產(chǎn)生一小段位錯(cuò)CAB，其柏氏矢量為1/2110。（111）(c) C，B處分別是右左螺型位錯(cuò);(d) 異號(hào)螺位錯(cuò)相遇抵消，產(chǎn)生一個(gè)位錯(cuò)環(huán)。CB右螺位錯(cuò)左螺位錯(cuò)（3）由空位聚集形成）由空位聚集形成 在高溫時(shí)，晶體中的空位濃度很高，有聚集成片以降低組臺(tái)能的趨勢，晶體中空位片足夠大時(shí)兩邊晶體塌陷下來，在周圍形成位錯(cuò)環(huán)。 面心立方晶體中，空位常在111晶面上聚集成片。該位錯(cuò)環(huán)是刃型位錯(cuò)。 10 位錯(cuò)的增殖與

12、萌生位錯(cuò)的增殖與萌生10.2 位錯(cuò)的增殖位錯(cuò)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(cuò)以正刃型位錯(cuò)AB為例：為例：位錯(cuò)受力大?。篎=tb位錯(cuò)受力方向：垂直位錯(cuò)各點(diǎn)受力相同，各點(diǎn)線速度相同，離A、B越近，角速度大，形成點(diǎn)彎曲。受力分析位錯(cuò)線上各點(diǎn)性質(zhì)不同：位錯(cuò)線上各點(diǎn)性質(zhì)不同： 2、4 負(fù)刃位錯(cuò) 6正刃位錯(cuò) 1、5右螺型位錯(cuò) 3、7左螺型位錯(cuò) AB位錯(cuò)線段是一個(gè)位錯(cuò)的增值機(jī)構(gòu)位錯(cuò)線段是一個(gè)位錯(cuò)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(cuò)環(huán)。下能源源不斷地產(chǎn)生位錯(cuò)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(cuò)源，簡稱

13、錯(cuò)源，簡稱F-R源，又叫源，又叫U型平面位錯(cuò)源。型平面位錯(cuò)源。P118 實(shí)際的例子。實(shí)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(dòng)位錯(cuò)，是在滑移面上可動(dòng)位錯(cuò)，BC不動(dòng)位錯(cuò)，不動(dòng)位錯(cuò)，B點(diǎn)被固定。點(diǎn)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(dòng)，不斷向外擴(kuò)展，向外轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)位錯(cuò)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(gè)位錯(cuò)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(dòng)位錯(cuò)，是在滑移面上可動(dòng)位錯(cuò)，BC不動(dòng)位錯(cuò)，不動(dòng)位錯(cuò)，B點(diǎn)被固定。點(diǎn)被固定。 雙交滑移平面源雙交滑移平面源（111）（2）位錯(cuò)源的開動(dòng)受力分析）位錯(cuò)源的開動(dòng)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(shí)際情況非常相符。此結(jié)果與實(shí)際情況非常相符。參考8.4.3 位錯(cuò)的受力位錯(cuò)的受力 2221GbGbWT8.4.3 位錯(cuò)的受力位錯(cuò)的受力8.4 位錯(cuò)的彈性性質(zhì)位錯(cuò)的彈性性質(zhì)2.2.位錯(cuò)的線張力位錯(cuò)的線張力T TdlbFtt)(2sin

15、2)(dTFTdtbdl外加應(yīng)力t作用在位錯(cuò)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(cuò)的總應(yīng)變能與位錯(cuò)的長度成正比，所以位錯(cuò)線有盡量縮短長度自動(dòng)變直的趨勢，好像有個(gè)張力，這個(gè)力就是位錯(cuò)的線張力，定義為：使位錯(cuò)線增長一定長度dl所作的功W，等于位錯(cuò)的應(yīng)變能。221GbT r 在簡單立方結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)，其 b 總是等于點(diǎn)陣矢量。實(shí)際晶體中根據(jù)柏氏矢量的不同，可把位錯(cuò)分為以下幾種形式；（1） b 等于單位點(diǎn)陣矢量的稱為“單位位錯(cuò)單位位錯(cuò)”。（2） b等于單位點(diǎn)陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯(cuò)全位錯(cuò)”（

16、3） b 不等于單位點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位不全位錯(cuò)錯(cuò)”或稱或稱“部分位錯(cuò)部分位錯(cuò)” 9 實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的行為 9.3 全位錯(cuò)能量條件與滑移系統(tǒng)全位錯(cuò)能量條件與滑移系統(tǒng)FCC全位錯(cuò)原子排列示意圖，圖面為（111）面柏氏矢量可用數(shù)字及符號(hào)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(cuò)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(cuò) abab22|,1102 Rbab23|1112 abab|02113 b b b b 21bbb 111210

17、0aa 1112a 層錯(cuò)區(qū)與完整晶體的交界處，為層錯(cuò)區(qū)與完整晶體的交界處，為“不全位錯(cuò)不全位錯(cuò)”。1肖克萊（Shockley）不全位錯(cuò)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(shí)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(cuò)。其與完整晶體的交界區(qū)域即為Shockley不全位錯(cuò)。011 特征：（1） （2） ，且垂直于位錯(cuò)線，為純?nèi)行?，也可為純螺型或混合?（3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛層錯(cuò)的111面上滑移，引起層錯(cuò)面的擴(kuò)散或收縮，但不能離開層錯(cuò)面。 abab66| 121 6 111/b 2弗蘭克（弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò)）不全位

18、錯(cuò) 在fcc晶體中插入或抽走一層（111）面，就會(huì)形成堆垛層錯(cuò)。若插入或抽走的只是一部分，層錯(cuò)與完整晶體邊界即所謂“Frank位錯(cuò)”。如圖6-60，為插入型弗蘭克不全位錯(cuò)（叫正弗蘭克不全位錯(cuò)），抽出型如圖6-61（叫負(fù)弗蘭克不全位錯(cuò)）。 正弗蘭克位錯(cuò)可由填隙原子聚集成園盤而形成負(fù)弗蘭克位錯(cuò)可由空位盤崩塌而形成。特征：1） ， b與層錯(cuò)面和位錯(cuò)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(dòng)困難，稱為固定位錯(cuò)。不全位錯(cuò)的柏氏矢量亦可通過柏氏回路的方法確定，但回路的起點(diǎn)應(yīng)選擇在層錯(cuò)面上。abab33|,1113 3.位錯(cuò)反應(yīng)與擴(kuò)展位錯(cuò)位錯(cuò)反應(yīng)與擴(kuò)展位錯(cuò)(1) 位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)除相互作

19、用外，還可能發(fā)生分解或合成，即位錯(cuò)反應(yīng)。位錯(cuò)反應(yīng)有兩個(gè)條件。1）幾何條件：反應(yīng)前各位錯(cuò)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(cuò)反應(yīng)，如圖6-62。將四面體以ABC為底展開，各個(gè)線段的點(diǎn)陣矢量，即為湯普森記號(hào)，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(gè)棱AB、DC為全位錯(cuò)的柏氏矢量 a、b為弗蘭克不全位錯(cuò) A、D為肖克萊不全位錯(cuò)（a）=（ ） （b）=（ ） （c）=（ ） （d）=（111）為fcc中四個(gè)可能滑移面。如：DADr + rA即 幾何條件：右邊兩個(gè)不全位錯(cuò)的 b 在x,