2.7 位錯(cuò)和缺陷之間的相互作用.PPT

1、吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202112.6 位錯(cuò)與晶體缺陷的相互作用點(diǎn)缺陷在晶體中會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生的應(yīng)力場可與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用1位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用彈性的、化學(xué)的、電學(xué)的、幾何的四種交互作用彈性作用為最重要吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20212位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用溶質(zhì)原子處于位錯(cuò)的應(yīng)力場之中，會(huì)產(chǎn)生彈性交互作用溶質(zhì)原子與周圍原子的交互作用 在刃型位錯(cuò)中顯得尤其重要不論是置

2、換型還是間隙型溶質(zhì)原子均會(huì)引起晶格畸變間隙原子以及尺寸大于溶劑原子的溶質(zhì)原子使周圍基體晶格原子受到壓縮應(yīng)力尺寸小于溶劑原子的溶質(zhì)使基體晶格受到拉伸吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20213位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用 所有溶質(zhì)原子均可在刃型位錯(cuò)周圍找到合適的位置正刃型位錯(cuò)下方原子受到拉應(yīng)力，原子半徑較大的置換型溶質(zhì)原子和間隙原子位于位錯(cuò)滑移面下方（即晶格受拉區(qū)）可以降低位錯(cuò)的應(yīng)變能小原子半徑的間隙型溶質(zhì)原子位于滑稱面上方（晶格受壓區(qū)）可以降低位錯(cuò)應(yīng)變能，使體系處于較低的能量狀態(tài)吉吉 首

3、首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20214位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用 至于溶質(zhì)原子能否移至理想的位置，則取決于溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力 溶質(zhì)原子分布于位錯(cuò)周圍使位錯(cuò)的應(yīng)變能下降，位錯(cuò)的穩(wěn)定性增加，晶體強(qiáng)度提高吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20215科垂耳氣團(tuán)通常把把溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用后，圍繞位錯(cuò)而形成的溶質(zhì)原子聚集物，稱為“科垂耳氣團(tuán)科垂耳氣團(tuán)”（Cottrell Atmosphere）氣團(tuán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)，但氣

4、團(tuán)在高溫條件下會(huì)消失，失去強(qiáng)化效果用柯氏氣團(tuán)可解釋合金中出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)效和屈服現(xiàn)象吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20216鈴木氣團(tuán) 溶質(zhì)原子與擴(kuò)展位錯(cuò)之間會(huì)發(fā)生化學(xué)交互作用，產(chǎn)生鈴木氣團(tuán)由于擴(kuò)展位錯(cuò)的層錯(cuò)區(qū)具有與周圍基體不同的晶體結(jié)構(gòu)（如fcc中層錯(cuò)區(qū)屬hcp），為保持熱力學(xué)平衡，溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)濃度與在基體中濃度不同，有的原子偏聚于層錯(cuò)區(qū)，減小表面能，使層錯(cuò)區(qū)寬度d增大，不易于束集，難于交滑移，從而提高合金強(qiáng)度，這種由化學(xué)交互作用而產(chǎn)生溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)偏聚，構(gòu)成了“鈴木氣團(tuán)”與科垂耳氣團(tuán)比較1）鈴木氣團(tuán)與

5、溫度無關(guān) 2）鈴木氣團(tuán)與位錯(cuò)類型無關(guān)吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20217斯諾克氣團(tuán) 體心立方晶體中間隙原子如C、N等與螺位錯(cuò)切應(yīng)力場發(fā)生的交互作用C、N原子使得Fe產(chǎn)生四方畸變間隙原子分布于Fe的（1/2,0,0） （0,1/2, 0） （ 0,0,1/2）間隙位置在應(yīng)力作用下，三個(gè)間隙位置的原子應(yīng)變能不同，從應(yīng)變能大的位置跳到應(yīng)變能小的位置，即斯諾克效應(yīng)斯諾克效應(yīng)吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20218位錯(cuò)

6、與空位的電學(xué)交互作用 刃位錯(cuò)壓縮區(qū)原子間距小，電子密度增大，電子能量增大，刃位錯(cuò)膨脹區(qū)原子間距大，電子密度小，電子能量小 壓縮區(qū)電子流向膨脹區(qū)，壓縮區(qū)帶正電，膨脹區(qū)帶負(fù)電，形成電偶極子 高價(jià)原子進(jìn)入膨脹區(qū)，低價(jià)原子進(jìn)入壓縮區(qū) 作用力為彈性交互作用的1/5吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/20219位錯(cuò)與空位的化學(xué)交互作用 置換式固溶體中溶質(zhì)原子與層錯(cuò)化學(xué)交互作用，形成鈴木（Suzuki）氣團(tuán) 比彈性交互作用小12個(gè)數(shù)量級(jí) 由于堆剁層錯(cuò)作用，很難靠熱起伏擺脫溶質(zhì)原子束縛，有好的高溫穩(wěn)定性，特別是Cottrel

7、l氣團(tuán)消失后作用顯著 釘扎與位錯(cuò)類型無關(guān)，刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)釘扎強(qiáng)弱程度一樣吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/2021102位錯(cuò)與空位的交互作用 空位也會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，空位與位錯(cuò)也會(huì)發(fā)生交互作用空位與位錯(cuò)在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化 空位通常被吸引到刃型位錯(cuò)的壓縮區(qū)，降低位錯(cuò)的應(yīng)變能，使位錯(cuò)發(fā)生攀移 這一交互作用在高溫下顯得十分重要，因?yàn)榭瘴粷舛入S溫度升高而上升吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/2021112位錯(cuò)與空位的交互作用

8、 空位通常被吸引到刃型位錯(cuò)的壓縮區(qū)，或消失在刃型位錯(cuò)線上，使位錯(cuò)線產(chǎn)生割階 空位被吸引到刃型位錯(cuò)上產(chǎn)生割階吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202112空位盤轉(zhuǎn)化成位錯(cuò)環(huán)空位盤轉(zhuǎn)化成位錯(cuò)環(huán)金屬從高溫急冷所固定下來的過飽和空位可以聚集成空位盤盤的尺寸達(dá)到幾十個(gè)原子間距時(shí)，不穩(wěn)定而發(fā)生崩塌，在四周形成一個(gè)刃型位錯(cuò)環(huán)位錯(cuò)環(huán)的滑移面是一個(gè)環(huán)柱面，由于柏氏矢量垂直于環(huán)面，在位錯(cuò)環(huán)所處的平面上位錯(cuò)只攀移，這種位錯(cuò)稱為“棱柱位錯(cuò)”(a)空位凝聚成盤；(b)空位盤崩塌成位錯(cuò)環(huán)；(c)純鋁(650淬火)中的位錯(cuò)環(huán) 吉吉 首首

9、 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202113 位錯(cuò)與空位的交互作用-位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生空位異號(hào)刃型位錯(cuò)互毀后產(chǎn)生一串空位2.兩根相互垂直的螺型位錯(cuò)經(jīng)交截后產(chǎn)生一小段刃型割階，割階通過攀移隨主位錯(cuò)線移動(dòng)產(chǎn)生空位吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202114異號(hào)刃型位錯(cuò)互毀后產(chǎn)生空位異號(hào)刃型位錯(cuò)互毀后產(chǎn)生空位互毀時(shí)其中任一位錯(cuò)線必須每隔一定距離相對攀移一個(gè)原子間距是產(chǎn)生空位的常見機(jī)制吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī)

10、電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202115螺型位錯(cuò)交截后移動(dòng)產(chǎn)生空位螺型位錯(cuò)交截后移動(dòng)產(chǎn)生空位兩相互垂直的螺型位錯(cuò)經(jīng)交截后產(chǎn)生刃型割階螺型位錯(cuò)拖著一小段割價(jià)共同運(yùn)動(dòng)，后面留下一串點(diǎn)缺陷 割階高度足夠?。?2個(gè)原子間距），外力足夠大且溫度比較高時(shí)，此割階只能通過攀移跟主位錯(cuò)線一起移動(dòng)割階后留下一串空位，割階間的位錯(cuò)線是異號(hào)刃型位錯(cuò)，吸引互毀后形成位錯(cuò)偶吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202116帶割階的螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶割階的螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)c位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在割階后留下一串空位a無

11、應(yīng)力下的直位錯(cuò)b外加切應(yīng)力后位錯(cuò)在滑移面彎曲吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202117位錯(cuò)偶位錯(cuò)偶割階高度在幾個(gè)原子間距到20nm之間，位錯(cuò)不能拖著割階運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)偶斷裂成位錯(cuò)環(huán) 位錯(cuò)偶經(jīng)常斷開而留下一個(gè)長的位錯(cuò)環(huán)，原位錯(cuò)線仍回復(fù)原來帶割階的狀態(tài)，形成的長形位錯(cuò)環(huán)又可分裂成小的位錯(cuò)環(huán)，也是形成位錯(cuò)環(huán)機(jī)制之一在外力作用下，若割階間的位錯(cuò)線發(fā)生彎曲，且在上下兩個(gè)滑移面和割階相連接的位錯(cuò)線是異號(hào)刃型位錯(cuò)時(shí)，這對異號(hào)刃型位錯(cuò)相互吸引而平行排列起來，形成位錯(cuò)偶吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工

12、 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202118割階的運(yùn)動(dòng)割階的運(yùn)動(dòng)吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/2021193位錯(cuò)的交截 在滑移面上運(yùn)動(dòng)的某一位錯(cuò)，必與穿過此滑移面上的其它位錯(cuò)（稱為“位錯(cuò)林”）相交截，該過程即為“位錯(cuò)交截”位錯(cuò)相互切割后，將使位錯(cuò)產(chǎn)生彎折，生成兩種位錯(cuò)折線割階：割階：垂直滑移面的折線扭折：扭折：在滑移面上的折線吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202120位錯(cuò)線互相垂直

13、刃型位錯(cuò)的交截位錯(cuò)線互相垂直刃型位錯(cuò)的交截AB，xy兩根相互垂直的刃型位錯(cuò)線，b1/ b2交截后各產(chǎn)生PP和QQ的折線，它們均位于原來兩個(gè)滑移面上，同屬螺型性質(zhì)，為“扭折”在運(yùn)動(dòng)過程中，這種折線在線張力的作用下可能被拉長而消失吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202121柏氏矢量互相平行的互相垂直刃型位錯(cuò)的交截柏氏矢量互相平行的互相垂直刃型位錯(cuò)的交截位錯(cuò)線AB和XY發(fā)生交割后AB變?yōu)锳PPB，XY變?yōu)閤QQyPP臺(tái)階高度為b1， QQ臺(tái)階高度為b2，兩臺(tái)階和分別與b2和b1平行，是螺型位錯(cuò)它們位于原位錯(cuò)的滑

14、移面上，是扭折吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202122位錯(cuò)交截 是否產(chǎn)生結(jié)果由位錯(cuò)線與另外的位錯(cuò)的柏矢矢量決定，若是否產(chǎn)生結(jié)果由位錯(cuò)線與另外的位錯(cuò)的柏矢矢量決定，若平行，無交截結(jié)果，垂直時(shí)才有交截結(jié)果平行，無交截結(jié)果，垂直時(shí)才有交截結(jié)果 交截后位錯(cuò)線段的刃型、螺型性質(zhì)取決于該位錯(cuò)線段與本交截后位錯(cuò)線段的刃型、螺型性質(zhì)取決于該位錯(cuò)線段與本身位錯(cuò)線柏矢矢量的關(guān)系身位錯(cuò)線柏矢矢量的關(guān)系 交截結(jié)果是割階或扭折取決于該位錯(cuò)線段與本身位錯(cuò)滑移交截結(jié)果是割階或扭折取決于該位錯(cuò)線段與本身位錯(cuò)滑移平面的關(guān)系平面的關(guān)系吉

15、吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202123兩根相互垂直的刃型位錯(cuò)線交截兩根相互垂直的刃型位錯(cuò)線交截 兩柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交截(a) 交截前；(b) 交截后b1b2xy位錯(cuò)線與不動(dòng)的AB位錯(cuò)交截后，AB產(chǎn)生一個(gè)長度與b1相等的刃型割階PP，PP折線位于Pxy滑移面上，是可動(dòng)的，隨AB沿著b 2所指方向移動(dòng)b2與xy平行，xy不產(chǎn)生折線吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202124刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)交截(a) 交截

16、前; (b) 交截后 交截后，AB被分割成位于相鄰兩平行平面內(nèi)的兩段位錯(cuò)位錯(cuò)CD上交截線段QQ與b2垂直，為扭折，在線張力下可被拉直中間由刃型割階PP相連PP長度與b2相等PP柏氏矢量仍為b1PP可隨AB滑移，但有阻礙吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202125兩根螺型位錯(cuò)的交截值得注意的一種，如圖所示螺錯(cuò)L1向右運(yùn)動(dòng)，遇到與之垂直的螺錯(cuò)L2發(fā)生交截割階PP，長度為b2兩螺型位錯(cuò)各自產(chǎn)生一刃型割階。圖中為L1的割階只能在PP與b1組成的平面內(nèi)沿b1所指方向滑移，不能跟隨螺型位錯(cuò)L1一道滑移只能通過攀移隨著

17、L1運(yùn)動(dòng)，與L1滑移方向不一致。但攀移在室溫下困難這一段位錯(cuò)成為L1位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙、阻力，有人認(rèn)為這是加工硬化的原因吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202126螺型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的交割A(yù)B的滑移面一定，由外力決定，所以PP是刃型位錯(cuò)割階，而QQ不是，會(huì)消失吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202127螺型位錯(cuò)上的（刃型）割階不能隨原位錯(cuò)一道滑移螺型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的交割滑移面是圖中陰影面，只能沿位錯(cuò)線AB線滑移PP隨AB

18、一起運(yùn)動(dòng)，則導(dǎo)致半原子面縮小，留下間隙原子要隨AB一起運(yùn)動(dòng)，則它必須攀移PPMM 是割階PP的附加半原子面這種攀移只有在較大正應(yīng)力和較高溫度下實(shí)現(xiàn)如果左螺型位錯(cuò)，附加半原子面增大，留下空位在常溫下，螺型位錯(cuò)上的（刃型）割階阻礙位錯(cuò)的繼續(xù)滑移吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202128兩根螺型位錯(cuò)的交截在外力足夠大且溫度比較高，并且此割階長度足夠?。?2個(gè)原子間距），此割階可以通過攀移與主位錯(cuò)一道運(yùn)動(dòng)，并在割階后面留下一連串空位吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理 與與 機(jī)機(jī) 電電 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 JiShou University12/7/202129位錯(cuò)的塞積 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中除遇到其它位錯(cuò)而發(fā)生交截外，可能遇到晶界，孿晶界，相界等面缺陷障礙物而產(chǎn)生“塞積”現(xiàn)象在晶體內(nèi)部的滑移面上有一位錯(cuò)源，在外力0作用下產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，它在外力作用下沿滑移面往前移動(dòng)，若在前端遇到障礙物時(shí)，位錯(cuò)就會(huì)阻塞在障礙物前位錯(cuò)源不斷地產(chǎn)生其他位錯(cuò)，這些位錯(cuò)同樣阻塞在障礙物之前，形成一個(gè)塞積群吉吉 首首 大大 學(xué)學(xué) 物物 理理