晶體缺陷-位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力場

1、1* 晶體缺陷-位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力場第4章 晶體缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 點(diǎn)缺陷 （Point defect）4.1.1 點(diǎn)缺陷的類型4.1.2 點(diǎn)缺陷的濃度4.1.3 點(diǎn)缺陷對材料性能的影響4.2 線缺陷（Line defects）4.2.1 位錯(cuò)的類型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)4.2.4 位錯(cuò)的應(yīng)力場 4.2.5 位錯(cuò)與晶體缺陷間的交互作用4.2.6 位錯(cuò)的增殖與塞積4.2.7 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶體表面4.3.2 晶界結(jié)構(gòu)與能量4.3.3 單相多晶體中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析

2、與晶界遷移4.3.5 相界3刃、螺型位錯(cuò)滑移的比較 晶體兩部分的相對移動(dòng)量決定于柏氏矢量b的大小和方向，與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無關(guān)。 1. 刃、螺型位錯(cuò)滑移的比較螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線 b，可以有多個(gè)滑移面，無論在哪個(gè)方向移動(dòng)都是滑移。螺位錯(cuò)的滑移面不唯一。2. 滑移系 滑移面 （哪些面？） 和此面上的一個(gè)滑移方向 （哪些方向？）。補(bǔ)充密排面; 密排方向6不同結(jié)構(gòu)中的滑移系：滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向fcc晶格: 密排面為111 4個(gè) 密排方向?yàn)?3個(gè)滑移系：4X312bcc：密排面為110 6個(gè)， 密排方向 2個(gè)補(bǔ)充73. 螺位錯(cuò)的交滑移 cross slip of screw dislocation

3、s （動(dòng)畫1）交滑移：螺位錯(cuò)在某一滑移面的滑移受阻時(shí)，位錯(cuò)可 離開原滑移面到與其相交的其他滑移面繼續(xù)滑移。3. 螺位錯(cuò)的交滑移 cross slip of screw dislocations 螺位錯(cuò)的滑移面不唯一，是包含該位錯(cuò)線的一組晶體學(xué)晶面。 （111）（4個(gè)）（動(dòng)畫2）9位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)10位錯(cuò)繞過粒子11Si單晶中的F-R源4. 位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng) Motion of dislocation loop （1）A,B為異號刃位錯(cuò)，后部的半原子面在上方向后移動(dòng)；前部的半原子面在下方，向前運(yùn)動(dòng)。（2）C,D為異號螺位錯(cuò)，左邊向左，右邊向右運(yùn)動(dòng)；（3）其他為混合位錯(cuò)，均向外運(yùn)動(dòng)。所有運(yùn)動(dòng) 上部晶體向后移動(dòng)

4、了一個(gè)原子間距。所有位錯(cuò) 移出晶體，整個(gè)晶體上部移動(dòng)了一個(gè)原子間距。無論哪種位錯(cuò)，最后的效果是一樣的?？偨Y(jié)：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)都將使掃過的區(qū)間兩邊的原子層發(fā)生b的相對滑動(dòng)。 14問題的提出：（1）晶體的塑性變形是通過位錯(cuò)的滑移進(jìn)行的，那么，位錯(cuò)還有其它的運(yùn)動(dòng)方式嗎？ （2）位錯(cuò)的類型（如：刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)）對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有影響嗎？ （3）位錯(cuò)的形態(tài)（如：直線或弧線等）對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有影響嗎？4.2.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) Motion of dislocations 正攀移：原子面縮短，有原子多余， 大部分是空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上，空位消失；5. 攀移-刃位錯(cuò) Climbing of edge disloca

5、tions刃位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。相當(dāng)于半原子面的伸長或縮短。負(fù)攀移負(fù)攀移：原子面伸長，需要外來原子， 或在晶體中產(chǎn)生新的空位。(1)刃位錯(cuò)攀移：一般發(fā)生在溫度較高時(shí)。（2）切應(yīng)力對攀移無效； 正應(yīng)力有助于攀移。(壓應(yīng)力有助正攀移，拉應(yīng)力有助負(fù)攀移)， 但應(yīng)力對攀移的總體作用甚小。(3) 螺位錯(cuò)無攀移(無多余半原子面)。(4)位錯(cuò)滑移，晶體的體積不變（守恒運(yùn)動(dòng)）； 攀移后，晶體的體積會有變化（非守恒運(yùn)動(dòng)）。攀移的特點(diǎn)：第4章 晶體缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 點(diǎn)缺陷 （Point defect）4.1.1 點(diǎn)缺陷的類型4.1.2 點(diǎn)缺陷的濃度4.1.3

6、 點(diǎn)缺陷對材料性能的影響4.2 線缺陷（Line defects）4.2.1 位錯(cuò)的類型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)4.2.4 位錯(cuò)的應(yīng)力場 4.2.5 位錯(cuò)與晶體缺陷間的交互作用4.2.6 位錯(cuò)的增殖與塞4.2.7 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶體表面4.3.2 晶界結(jié)構(gòu)與能量4.3.3 單相多晶體中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析與晶界遷移4.3.5 相界位錯(cuò)附近晶格畸變,應(yīng)力場和應(yīng)變能。4.2.4 位錯(cuò)的應(yīng)力場 stress field of dislocations 刃位錯(cuò)： 位錯(cuò)上部原子壓應(yīng)力，下部原子張應(yīng)力，位錯(cuò)周圍產(chǎn)生

7、應(yīng)力場。螺位錯(cuò)：圓柱體區(qū)域應(yīng)力場存在。 位錯(cuò)與其他缺陷(點(diǎn)缺陷,其他位錯(cuò),晶界等)的交互作用是通過應(yīng)力場實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)的應(yīng)力場彈性應(yīng)變能 線張力(位錯(cuò)縮短的傾向)研究位錯(cuò)應(yīng)力場的分布和能量，是研究晶體力學(xué)性能的基礎(chǔ)。 位錯(cuò)總能量與位錯(cuò)長度成正比，位錯(cuò)線盡可能短線張力。 位錯(cuò)附近的2個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)離位錯(cuò)中心處：畸變較小，（ Ee ）一、位錯(cuò)的應(yīng)力場模型簡化為：各向同性連續(xù)彈性介質(zhì)， 線彈性理論。位錯(cuò)中心附近：畸變嚴(yán)重，直接考慮晶體結(jié)構(gòu)和 原子之間的相互作用。（ E0 ）假定晶體是一個(gè)連續(xù)的各向同性的彈性體，忽略位錯(cuò)中心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的影響。E0占1/101/15，22 螺位錯(cuò)的應(yīng)力場模型位錯(cuò)的應(yīng)力場模型 刃

8、位錯(cuò)的應(yīng)力場模型螺位錯(cuò)的應(yīng)力場：正應(yīng)力分量: 無;切應(yīng)力分量: 有.應(yīng)變及應(yīng)力與半徑成反比。1. 螺位錯(cuò)的應(yīng)力場D=Gb/2(1-)2. 刃位錯(cuò)的應(yīng)力場2526一對平行刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的應(yīng)力場：無相同的應(yīng)力分量 位錯(cuò)周圍原子偏離平衡位置，處于較高能量狀態(tài)；高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡稱位錯(cuò)能。 E0：位錯(cuò)中心，畸變嚴(yán)重， E0占1/101/15， 計(jì)算復(fù)雜，可忽略。Ee：位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能Ee 。E=E0+Ee二、位錯(cuò)的應(yīng)變能單位體積彈性能=（應(yīng)力應(yīng)變）/2單位長度的圓柱彈性能：螺位錯(cuò)彈性應(yīng)變能:R是晶體的外徑，r0是位錯(cuò)核心的半徑。則： Ee=Gb2G-材料的剪切模量。-常數(shù)？螺位

9、錯(cuò)：取0.5； 刃位錯(cuò)： 取1.0； Ee=Gb2螺位錯(cuò)彈性應(yīng)變能：刃位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能比螺位錯(cuò)大。螺位錯(cuò)?刃位錯(cuò)?的彈性應(yīng)變能哪個(gè)大？刃位錯(cuò)： Ee=Gb2/(1-)Ee：單位長度位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能，和b2成正比。b最小的地方/Ee最小，位錯(cuò)越穩(wěn)定/最易形成位錯(cuò)?；谱钜自诿芘欧较蛏习l(fā)生，此方向上b比較小。 （1）為減小應(yīng)變能， 位錯(cuò)b盡量小。（2）為減小彈性應(yīng)變能，位錯(cuò)趨向縮短，彎曲的位錯(cuò)線有變直的趨向，好像沿位錯(cuò)線兩端作用了一個(gè)線張力T。三、位錯(cuò)的線張力（3）位錯(cuò)環(huán)會收縮， 甚至消失。（4）線張力和位錯(cuò)能在數(shù)量上是等價(jià)的。 T= bR =E=Gb2R是位錯(cuò)線曲率半徑，曲線的張力是T使位錯(cuò)彎曲

10、的：(彎曲位錯(cuò)線，0.5)則 = Gb/2R. 32（4）線張力和位錯(cuò)能在數(shù)量上是等價(jià)的。 T=E=Gb2R是位錯(cuò)線曲率半徑，曲線的張力是T：使位錯(cuò)彎曲的：2Tsin(d/2)=dF.dS= bRdT=bR根據(jù)T=E=Gb2 (彎曲位錯(cuò)線，0.5)則 = Gb/2R. (1)刃型位錯(cuò)的滑移（2）螺型位錯(cuò)的滑移晶體兩部分的相對移動(dòng)量決定于b的大小和方向，與位錯(cuò)線的移動(dòng)方向無關(guān)。 螺型位錯(cuò)的交滑移刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)小結(jié)：第3節(jié) 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)一、位錯(cuò)的應(yīng)力場螺位錯(cuò)應(yīng)力場：沒有正應(yīng)力分量， 只有切應(yīng)力分量。刃位錯(cuò)應(yīng)力場：小結(jié)：第4節(jié) 位錯(cuò)的應(yīng)力場35一對平行刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的應(yīng)力場：無相同的應(yīng)力分量 刃位錯(cuò)螺位錯(cuò)不同點(diǎn)位錯(cuò)線和柏氏矢量的關(guān)系垂直。刃位錯(cuò)線不一定是直線，可以是折/曲線平行。螺位錯(cuò)線一定是直線。有無交滑移刃位錯(cuò)的滑移面只有一個(gè)。無（位錯(cuò)線和柏氏矢量垂直所以其構(gòu)成的平面，不能改變）。螺位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。有（位錯(cuò)線和柏氏矢量平行，