金屬學(xué)第三章2 晶體缺陷.ppt

1、1,第三章 晶體缺陷 ,2,判斷位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向的方法,右手定則 大拇指指向晶體運(yùn)動(dòng)方向與b方向相同的那部分晶體的相對(duì)位置 食指指向位錯(cuò)線的正方向 中指指向位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),第2節(jié) 線缺陷位錯(cuò)(Dislocations),問(wèn)題：位錯(cuò)掃過(guò)的面兩側(cè)會(huì)相對(duì)滑移b，究竟哪一側(cè)滑動(dòng)了b？ 判別方法：右手定則,3,(一)刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),兩種：滑移和攀移 1.滑移運(yùn)動(dòng) 形成一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階，在晶體外表面形成肉眼可見(jiàn)的滑移痕跡。保守運(yùn)動(dòng)或守恒運(yùn)動(dòng)。,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),4,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理,上、下晶體相對(duì)移動(dòng)了一個(gè)b,(一)刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),5,刃型位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：,

2、使刃型位錯(cuò)產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)的力是作用在滑移面上且平行于b的切應(yīng)力； 位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向與切應(yīng)力平行。在同一切應(yīng)力作用下，正、負(fù)刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向相反； 刃型位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使位錯(cuò)線掃過(guò)區(qū)的上下兩半晶體產(chǎn)生了值為b的相對(duì)位移。 晶體的位移方向完全取決于外切應(yīng)力 ，與位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向和柏氏矢量b的方向平行。 不能單純由位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向或柏氏矢量的方向來(lái)確定晶體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。,1.滑移運(yùn)動(dòng),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),6,2.刃型位錯(cuò)的攀移,正攀移 負(fù)攀移,攀移可通過(guò)物質(zhì)遷移即原子或空位的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn) 攀移運(yùn)動(dòng)難度大，是熱激活過(guò)程。 壓應(yīng)力促進(jìn)正攀移，拉應(yīng)力促進(jìn)負(fù)攀移,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),7,發(fā)生攀移的條件,正應(yīng)力

3、高溫 高濃度的空位,攀移的特點(diǎn)： 攀移是通過(guò)空位遷移和原子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它必然引起晶體體積的變化。因此攀移稱之為非保守運(yùn)動(dòng)或非守恒運(yùn)動(dòng)。,2.刃型位錯(cuò)的攀移,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),8,(二)螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),1. 滑移運(yùn)動(dòng),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),9,滑移運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：,引起螺位錯(cuò)滑移的力是平行于b的切應(yīng)力。 位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向垂直于位錯(cuò)線，在同一切應(yīng)力作用下左、右螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向相反。 位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使位錯(cuò)線掃過(guò)區(qū)上下兩半晶體產(chǎn)生值為b的相對(duì)位移。晶體位移的方向完全取決于外切應(yīng)力方向。 位移方向與位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向垂直，但與b平行。,(二)螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),10,2.交滑移,(二)螺型位錯(cuò)的運(yùn)

4、動(dòng),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),11,(三)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),12,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的總結(jié),刃型位錯(cuò)：滑移和攀移。 滑移是位錯(cuò)在滑移面上做平面運(yùn)動(dòng)；攀移則是位錯(cuò)垂直于滑移面方向運(yùn)動(dòng)。 滑移不會(huì)引起體積變比，稱之為保守運(yùn)動(dòng)(守恒運(yùn)動(dòng));攀移需要原子和空位的遷移，會(huì)引起體積的變化，稱為非保守運(yùn)動(dòng)(非守恒運(yùn)動(dòng))。 螺型位錯(cuò)：滑移和交滑移。 垂直于額外半原子面的正應(yīng)力也會(huì)促進(jìn)攀移。,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),13,刃型位錯(cuò)的滑移面是由位錯(cuò)線和柏氏矢量確定的唯一平面 螺型位錯(cuò)的滑移面則有一系列以位錯(cuò)線為共同轉(zhuǎn)軸的滑移面，但一般是在密排面上進(jìn)行滑移。 位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與位錯(cuò)線垂直。 晶體的滑移方向總是沿著柏氏矢

5、量方向。 刃型位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向和晶體滑移方向相平行，螺型位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向和晶體滑移方向相垂直；混合位錯(cuò)線的移動(dòng)方向和晶體移動(dòng)方向成090交角。 金屬塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的總結(jié),四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),14,大量位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體的宏觀塑性變形,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),15,舉例,位錯(cuò)環(huán)的各邊是什么位錯(cuò)? 在足夠大剪應(yīng)力作用下，位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)?晶體將如何變形? 在足夠大的拉應(yīng)力的作用下， 位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)?它將變成什么形狀?晶體將如何變形? 在壓應(yīng)力作用下會(huì)如何呢？,已知位錯(cuò)環(huán)ABCDA的柏氏矢量為b，外應(yīng)力為和。求：,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),16,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),17,(四) 位

6、錯(cuò)線之間的交截,割階：位錯(cuò)線上垂直于滑動(dòng)面的曲折部分。 彎折：位錯(cuò)線位于滑動(dòng)面上的曲折部分。,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),18,1.兩個(gè)柏氏矢量平行的刃位錯(cuò)交割,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),結(jié)果：彎折，螺型位錯(cuò)，可動(dòng),19,2.兩個(gè)柏氏矢量垂直的刃位錯(cuò)交割,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),結(jié)果：A出現(xiàn)割階，刃型位錯(cuò)，不可動(dòng)；B不變。,20,3.兩個(gè)柏氏矢量垂直的刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)交割,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),結(jié)果：A出現(xiàn)割階，刃型位錯(cuò)，不可動(dòng)； B出現(xiàn)彎折，刃型位錯(cuò)，可動(dòng)。,21,刃位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)交割,QQ為螺位錯(cuò)CD上的刃型彎折，滑移面為與AB垂直并包括CQ

7、QD的平面，它也是CD位錯(cuò)的滑移面。,PP 不能隨AB一起移動(dòng)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。產(chǎn)生加工硬化的原因之一。,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),22,4.兩個(gè)柏氏矢量垂直的螺型位錯(cuò)交截,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),結(jié)果：A B均出現(xiàn)割階，刃型位錯(cuò)，不可動(dòng)。加工硬化的原因之一。,23,正攀移 負(fù)攀移,兩螺型位錯(cuò)的交截,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),24,小割階：幾個(gè)原子間距,大割階：大于60個(gè)原子間距,中割階：幾個(gè)60個(gè)原子間距,大割階的形成機(jī)理：由小割階合并而成,4.兩螺型位錯(cuò)的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),25,4.兩螺型位錯(cuò)的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),螺型位

8、錯(cuò)的能量低于刃型位錯(cuò)，在變形時(shí)更容易形成，晶體中的螺型位錯(cuò)密度較高，交互作用時(shí)產(chǎn)生的割階較多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用較強(qiáng)。,26,位錯(cuò)交截運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,位錯(cuò)相互交截時(shí)產(chǎn)生“彎折”或“割階”。 位錯(cuò)上“彎折”或“割階”部分的柏氏矢量與該位錯(cuò)的相同。 “割階”與原位錯(cuò)不在同一滑移面上，將成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。 “彎折”可以是刃型位錯(cuò)，也可以是螺型位錯(cuò)，它可因位錯(cuò)線張力而消失，使原位錯(cuò)線重新變直。 “割階”都是刃型位錯(cuò)。,(四) 位錯(cuò)線之間的交截,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),27,(五)位錯(cuò)滑移的晶格阻力,位錯(cuò)必須越過(guò)勢(shì)壘才能移動(dòng)，這個(gè)勢(shì)壘就是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，稱為晶格阻力。 由于派爾斯(Peirls)和納巴羅(Nab

9、arro)估算了此阻力，所以亦稱為“派-納力”。,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),28,重要結(jié)論：,(五)位錯(cuò)滑移的晶格阻力,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),通過(guò)位錯(cuò)移動(dòng)使晶體滑移所需臨界切應(yīng)力p很小，僅為理想晶體m的 1/1001/1000。P-N力正好相當(dāng)于實(shí)際金屬單晶體產(chǎn)生塑性變形的臨界分切應(yīng)力，這也證明“晶體滑移是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)”的論斷是正確的。,29,晶格阻力(P)隨著a值的增大和b值的減小而下降。在晶體中原子最密排面其面間距a最大，最密排方向其b值最小，這就很容易解釋“晶體塑性變形多是沿著晶體中最密排面和最密排方向進(jìn)行”。 晶格阻力隨位錯(cuò)寬度w的減小而增大。離子晶體、陶瓷和共價(jià)鍵物質(zhì)位錯(cuò)寬度很小，故其晶

10、格阻力很大，表現(xiàn)出脆性，而塑性材料的位錯(cuò)寬度較大，晶格阻力則較小。,(五)位錯(cuò)滑移的晶格阻力,四、位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng),30,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,(一) 作用在位錯(cuò)線上的力,作用在位錯(cuò)線上的力所做的功(F為作用在單位長(zhǎng)度位錯(cuò)上的力)： W1FLS 位錯(cuò)線滑移S距離后，上下晶體之間相對(duì)移動(dòng)了距離b，則外力所做的功為； W2(LS)b 由虛功原理W1=W2得； F =b,31,注意:,作用在位錯(cuò)線上的力(F)是一個(gè)假想的力； F導(dǎo)致位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)，其方向必然與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向相一致，即垂直于位錯(cuò)線，其方向可用右手定則去判斷； 引起位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)的外加切應(yīng)力必需是作用在滑動(dòng)面上且平行于b的切應(yīng)力

11、分量，而與F之間只有在刃位錯(cuò)時(shí)是相互平行的，對(duì)螺位錯(cuò)而言F。F是虛力； 作用在位錯(cuò)線上的力可以是外加的，也可以是晶體內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力分量。,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,(一) 作用在位錯(cuò)線上的力,32,(二) 兩平行位錯(cuò)間的交互作用,位錯(cuò)周?chē)嬖趹?yīng)力場(chǎng)。 實(shí)際晶體中往往有許多位錯(cuò)同時(shí)存在。任一位錯(cuò)在其相鄰位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)作用下都會(huì)受到作用力，力的類(lèi)型和大小隨位錯(cuò)類(lèi)型、柏氏矢量大小和位錯(cuò)線相對(duì)位向的變化而變化。,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,33,1.在同一滑動(dòng)面上的刃位錯(cuò)間的作用力,同性相斥(指一個(gè)位錯(cuò)的切應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致另外一個(gè)同號(hào)位錯(cuò)向外運(yùn)動(dòng)，好像是互相排斥)，B位錯(cuò)向右運(yùn)動(dòng)。,X0

12、時(shí)只有切應(yīng)力,Z,(二) 兩平行位錯(cuò)間的交互作用,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,34,2.在同一滑移面上的螺位錯(cuò)間的作用力,兩平行螺型位錯(cuò)間的作用力，其大小與兩位錯(cuò)強(qiáng)度的乘積成正比，而與兩位錯(cuò)間距成反比，其方向則沿徑向r垂直于所作用的位錯(cuò)線。 當(dāng)b1與b2同向時(shí)，f0，即兩同號(hào)平行螺型位錯(cuò)相互排斥 當(dāng)b1與b2反向時(shí)，f0，即兩異號(hào)平行螺型位錯(cuò)相互吸引。,(二) 兩平行位錯(cuò)間的交互作用,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,35,3. 兩平行滑動(dòng)面上位錯(cuò)間的交互作用,X=0時(shí)，F(xiàn)0 X=h時(shí)，F(xiàn)0 |X|h|時(shí)，F(xiàn)0,(1)滑移力,(二) 兩平行位錯(cuò)間的交互作用,五、作用在位錯(cuò)上的

13、力及位錯(cuò)的相互作用力,36,(2)攀移力,刃位錯(cuò)線上受到的攀移力是：Fxxb 位錯(cuò)A的應(yīng)力場(chǎng)正好存在與bB方向平行的正應(yīng)力分量xx，故B位錯(cuò)受到的攀移力為 F為:,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,37,注 意,在互相平行的螺位錯(cuò)與刃位錯(cuò)之間，由于兩者的柏氏矢量相垂直，各自的應(yīng)力場(chǎng)均沒(méi)有使對(duì)方受力的應(yīng)力分量，故不發(fā)生作用。,若是兩平行位錯(cuò)中有一根或兩根都是混合位錯(cuò)時(shí)，可將混合位錯(cuò)分解為刃型和螺型分量，再分別考慮它們之間作用力的關(guān)系，疊加起來(lái)就得到總的作用力。,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,38,4. 位錯(cuò)與表面間的作用力(映象力),平行于晶體表面的單位長(zhǎng)度螺型位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能：

14、,位錯(cuò)線受到的表面吸引力：,說(shuō)明： 該力相當(dāng)于在自由表面外側(cè)與位錯(cuò)成鏡面對(duì)稱的位置放置一個(gè)反號(hào)的螺型位錯(cuò)(稱為映像位錯(cuò))對(duì)真實(shí)位錯(cuò)的作用力，稱之為映像力。 在兩個(gè)彈性模量不同的材料邊界附近，界面也會(huì)對(duì)它產(chǎn)生映像力。 在薄膜晶體中映像力將起重要作用。,五、作用在位錯(cuò)上的力及位錯(cuò)的相互作用力,39,六、位錯(cuò)的增殖,(一) 位錯(cuò)密度 除了精心制作的細(xì)小晶須外，在通常的晶體中都存在大量的位錯(cuò)。晶體中位錯(cuò)的量常用位錯(cuò)密度表示。 位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積晶體中所含的位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。 =L/V(1/cm2) 式中L為位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，V是晶體的體積。,40,為了便于表征，常把位錯(cuò)線當(dāng)作直線，并且假定晶體的位錯(cuò)是平行

15、地從晶體的一端延伸到另一端，這樣，位錯(cuò)密度就等于穿過(guò)單位面積的位錯(cuò)線數(shù)目，即： = L/V = nl/(lA) = n/A l為每根位錯(cuò)線的長(zhǎng)度,n為在面積A中的位錯(cuò)數(shù)目。 顯然，并不是所有位錯(cuò)線與觀察面相交，故按此求得位錯(cuò)密度將小于實(shí)際值。 利用這一定義可以測(cè)定位錯(cuò)密度：電鏡法,六、位錯(cuò)的增殖,(一) 位錯(cuò)密度,41,實(shí)際晶體中的位錯(cuò)密度范圍： 經(jīng)充分退火的多晶體金屬中，位錯(cuò)密度約為106108/cm2； 經(jīng)精心制備和處理的超純金屬單晶體，位錯(cuò)密度可低于103/cm2； 經(jīng)過(guò)劇烈冷變形的金屬，位錯(cuò)密度可高達(dá)10101012/cm2 。,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,(一) 位錯(cuò)密度,42,(二) 位

16、錯(cuò)的萌生,晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生位錯(cuò) 由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動(dòng)等的影響，使生長(zhǎng)著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲，引起相鄰晶塊之間有位向差，形成位錯(cuò)； 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時(shí)體積變化的熱應(yīng)力等原因會(huì)使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階或受力變形而形成位錯(cuò)。 局部應(yīng)力集中和塑性變形形成位錯(cuò) 晶體內(nèi)部的某些界面(如第二相質(zhì)點(diǎn)、孿晶界、晶界等)和微裂紋附近往往存在應(yīng)力集中，當(dāng)此應(yīng)力高至足以便該局部區(qū)域發(fā)生滑移時(shí)，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯(cuò)。晶體在形變過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中也會(huì)在局部區(qū)域形成位錯(cuò)。,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,43,完整晶體經(jīng)受完整晶體經(jīng)受彎曲后，將會(huì)通過(guò)在晶體內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的刃位錯(cuò)，以補(bǔ)償由于

17、彎曲造成的出現(xiàn)矢徑不同的表面上的尺度差異。,44,過(guò)飽和空位凝聚過(guò)程形成位錯(cuò) 金屬熔體自高溫以較快速率冷卻時(shí)晶體內(nèi)存在大量的過(guò)飽和空位，空位的聚集形成空位盤(pán)，塌陷后就能形成位錯(cuò)，為位錯(cuò)環(huán)。,(二) 位錯(cuò)的萌生,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,45,棱柱位錯(cuò)的概念,(二) 位錯(cuò)的萌生,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,46,(三) 位錯(cuò)的增殖,1. Frank-Read源,A、B兩點(diǎn)為位錯(cuò)的釘扎點(diǎn)，可以是沉淀相、割階等。,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,啟動(dòng)FR位錯(cuò)源所需的分切應(yīng)力 包括兩部分： P-N力 位錯(cuò)彎曲切應(yīng)力,47,Gb/2R,位錯(cuò)源彎曲的切應(yīng)力,1. Frank-Read源,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,公式推導(dǎo)： 長(zhǎng)度

18、為ds的位錯(cuò)線處于受力平衡狀態(tài)時(shí)：bds 2Tsin 由于ds=R2; 很小時(shí), sin 所以: bR2=2T bR=T=KGb2 =KGb/R Gb/2R,48,分析討論： =Gb/2R。 位錯(cuò)處于直線狀態(tài)時(shí)，R=， 此時(shí)最??； 位錯(cuò)彎曲成半圓時(shí)，R=L/2， =Gb/L； 位錯(cuò)線繼續(xù)彎曲時(shí)，RL/2， 所需切應(yīng)力由大變小。 因此，位錯(cuò)呈半圓形時(shí)是個(gè)臨界位置。位錯(cuò)增殖克服線張力所需的臨界切應(yīng)力c=Gb/L。,在塑性變形過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的位錯(cuò)，它們之間如果發(fā)生交截，就會(huì)使可動(dòng)位錯(cuò)越來(lái)越短，對(duì)開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)源所需的臨界切應(yīng)力就越來(lái)越高，這也是加工硬化的原因之一。,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,(三) 位

19、錯(cuò)的增殖,1. Frank-Read源,49,2. 雙交滑移源(補(bǔ)充),螺型位錯(cuò)經(jīng)雙交滑移后可形成刃型割階，對(duì)原位錯(cuò)產(chǎn)生“釘扎”作用，并使原位錯(cuò)在滑移面上滑移時(shí)成為一個(gè)F-R源。多次交滑移可以產(chǎn)生很多位錯(cuò)圈。,六、位錯(cuò)的萌生與增殖,50,補(bǔ)充知識(shí)：,1.沉淀相與位錯(cuò)的相互作用,51,52,沉淀相與位錯(cuò)之間交互作用特點(diǎn) 停止運(yùn)動(dòng)，造成應(yīng)力集中。 繼續(xù)滑移，并穿過(guò)沉淀顆粒，使顆粒沿著滑移面被切成兩半，并發(fā)生相對(duì)位移b(在沉淀顆粒硬度較低時(shí)容易出現(xiàn))。 繼續(xù)滑移，但繞過(guò)顆粒，因而在顆粒周?chē)粝乱粋€(gè)位錯(cuò)環(huán)，環(huán)內(nèi)是未滑移區(qū)。 繼續(xù)滑移，但在顆粒周?chē)l(fā)生交滑移。,補(bǔ)充知識(shí)：,1.沉淀相與位錯(cuò)的相互作用,5

20、3,2. 位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷之間的交互作用,晶體中常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷有空位、溶質(zhì)原子和雜質(zhì)原子等，位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷在一起時(shí)會(huì)發(fā)生彈性、化學(xué)、電學(xué)和幾何交互作用，其中彈性交互作用最為重要。形成科垂耳氣團(tuán)、斯諾克氣團(tuán)、鈴木氣團(tuán)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)。,補(bǔ)充知識(shí)：,54,3. 位錯(cuò)的塞積,位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中除了會(huì)與點(diǎn)缺陷、線缺陷發(fā)生交互作用外，還會(huì)遇到面缺陷如晶界、孿晶界、相界等而發(fā)生塞積現(xiàn)象。,補(bǔ)充知識(shí)：,55,塞積群的特點(diǎn),塞積群中的位錯(cuò)都是同號(hào)刃型位錯(cuò)，位錯(cuò)之間相互排斥。 整個(gè)位錯(cuò)塞積群對(duì)位錯(cuò)源有一個(gè)反作用力0，塞積群所含有的位錯(cuò)數(shù)目n越大，反作用力則越大。外力與塞積群反作用力相平衡，外力就無(wú)法開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)源

21、。 整個(gè)塞積群擠在障礙物處，障礙物會(huì)受到很大的擠壓力(外切應(yīng)力的n倍)，當(dāng)這個(gè)力大到一定值時(shí)，就會(huì)把障礙物“沖垮”，這意味著晶體要開(kāi)始變形。,3. 位錯(cuò)的塞積,補(bǔ)充知識(shí)：,56,位錯(cuò)塞積導(dǎo)致的后果,導(dǎo)致F-R源開(kāi)動(dòng)所需的應(yīng)力大大增加，材料加工硬化。 若塞積位錯(cuò)是刃型的，當(dāng)n足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂紋。 若障礙物是晶界，則可能引發(fā)相鄰晶粒內(nèi)(在結(jié)晶附近)的F-R源啟動(dòng)，發(fā)生塑性變形。 若障礙物是沉淀顆粒,位錯(cuò)是螺型的,則可發(fā)生交滑移；若位錯(cuò)是刃型的，變形溫度又很高，則位錯(cuò)可能發(fā)生攀移。交滑移和攀移都使塞積應(yīng)力下降，導(dǎo)致材料軟化。,3. 位錯(cuò)的塞積,補(bǔ)充知識(shí)：,57,58,舉例,59,柏氏矢量恰好等于單

22、位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為單位位錯(cuò)。 柏氏矢量為單位點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò)稱為全位錯(cuò)。 柏氏矢量不等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為不全位錯(cuò)或部分位錯(cuò) 肖克萊（Shockley)不全位錯(cuò) 弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),60,(一) 面心立方晶體,1.單位位錯(cuò) b=a/2,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),61,將(111)面向右局部滑移，滑移矢量b=a/2110，就形成了一個(gè)全位錯(cuò)。 從原子尺寸看位錯(cuò)線是折線，而宏觀地看則是直線。 面心立方晶體111面的堆垛層次是ABCABC。,形成全位錯(cuò)時(shí)密排面堆垛層次未變,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),(一) 面心立方晶體,62,2.肖克萊不全 位錯(cuò),七、實(shí)

23、際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),(一) 面心立方晶體,63, A層原子 B層原子 C層原子,2.肖克萊不全位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),(一) 面心立方晶體,64,肖克萊不全位錯(cuò)的特征,柏氏矢量為a/6 可以是刃型、螺型或混合型位錯(cuò) 可以滑移，不能攀移，滑移面為111。 不僅是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，也是層錯(cuò)區(qū)的邊界) 即使是螺型不全位錯(cuò)，也不能交滑移，因?yàn)榘厥鲜噶坎皇莾蓚€(gè)111的交線,故不能從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)到另一個(gè)滑移面。,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),可動(dòng)位錯(cuò),65,3.弗蘭克不全位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),(一) 面心立方晶體,垛,柏氏矢量為a/3,66,Frank不全位錯(cuò)的形成方式 過(guò)飽和空位聚

24、集成盤(pán)，“崩塌”下來(lái)形成一片層錯(cuò)，層錯(cuò)的邊緣是負(fù)Frank位錯(cuò)。 過(guò)飽和自間隙原子(例如經(jīng)嚴(yán)重輻照時(shí)) 在密排面沉積成原子片，形成了1片層錯(cuò)，這層錯(cuò)的邊緣是正Frank位錯(cuò)。,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),67,Frank不全位錯(cuò)的特點(diǎn),Frank位錯(cuò)不能滑移，只能攀移； 位錯(cuò)線位于111面上，可以是任何形狀，包括直線、曲線和封閉環(huán)，但都是刃型位錯(cuò)。,3.弗蘭克不全位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),不滑動(dòng)位錯(cuò)或固定位錯(cuò),68,4.擴(kuò)展位錯(cuò),這種兩個(gè)不全位錯(cuò)之間夾有一個(gè)層錯(cuò)的位錯(cuò)組態(tài)；或者說(shuō)一個(gè)全位錯(cuò)分解為2個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)，中間夾著一片層錯(cuò)的組合就叫做擴(kuò)展位錯(cuò)。b1b2b3層錯(cuò),本來(lái)在B處的原子由于

25、滑移(形成肖克萊不全位錯(cuò))到了C位置，原子錯(cuò)位。 注意：B和C表示原子的位置，在同一層面內(nèi)。,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),69,擴(kuò)展位錯(cuò)的性質(zhì)和特點(diǎn) 位于111面上，由兩條平行的Schockley分位錯(cuò)中間夾著一片層錯(cuò)區(qū)組成。 柏氏矢量b1b2b3a/2，b2和b3的夾角為60 組成擴(kuò)展位錯(cuò)的兩個(gè)Schockley分位錯(cuò)由于交互作用必然處于相互平行的位置。,4.擴(kuò)展位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),70,Schockley不全位錯(cuò)只能滑移，不能攀移。故擴(kuò)展位錯(cuò)也只能滑移，只能總體運(yùn)動(dòng)。 由于擴(kuò)展位錯(cuò)只能做總體運(yùn)動(dòng)，所需作用力大于使單個(gè)位錯(cuò)滑移的應(yīng)力，故滑移更困難。 在外力下擴(kuò)展位錯(cuò)可以發(fā)生束集，發(fā)

26、生束集，形成全位錯(cuò)，因而在一定條件下可以發(fā)生交滑移。,4.擴(kuò)展位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),擴(kuò)展位錯(cuò)的性質(zhì)和特點(diǎn),71,層錯(cuò)區(qū)寬度的計(jì)算,假定一個(gè)螺型單位位錯(cuò)的b=a101，分解為兩個(gè)柏氏矢量為b1和b2的肖克萊不全位錯(cuò)。,4.擴(kuò)展位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),72,層錯(cuò)區(qū)幾乎不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，但它破壞了晶體的完整性和正常的周期性，故使晶體的能量有所增加，這部分增加的能量稱”堆垛層錯(cuò)能(J/m2)，可用實(shí)驗(yàn)方法間接測(cè)得。 晶體中出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率與層錯(cuò)能有關(guān)，層錯(cuò)能越高則幾率越小。如在層錯(cuò)能很低的奧氏體不銹鋼中，?？煽吹酱罅康膶渝e(cuò)，而在層錯(cuò)能高的鋁中，就看不到層錯(cuò)。,4.擴(kuò)展位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中

27、的位錯(cuò)組態(tài),73,經(jīng)變形的Cu-7Al合金明場(chǎng)衍襯像,在XY線上形成Lomer-Cottrell阻塞；F處是堆垛層錯(cuò)；N處是一些位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)。,4.擴(kuò)展位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),74,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),75,位錯(cuò)的束集,擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度主要取決于晶體的層錯(cuò)能。 當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)的局部區(qū)域受到某種障礙時(shí)，擴(kuò)展位錯(cuò)在外切應(yīng)力作用下其寬度將會(huì)縮小，甚至重新收縮成原來(lái)的全位錯(cuò)，稱為束集。,問(wèn)題：為什么層錯(cuò)能低的金屬(如Cu、不銹鋼)中很難看到交滑移，而在層錯(cuò)能高的金屬(如Al)中易于觀察到交滑移？,76,擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移,由于擴(kuò)展位錯(cuò)只能在其所在的滑移面上運(yùn)動(dòng)，若要進(jìn)行交滑移，擴(kuò)展位錯(cuò)必須首先束集成

28、全螺型位錯(cuò)。,面心立方晶體a110/2位錯(cuò) 形成的擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移過(guò)程,熱激活有助于位錯(cuò)束集的實(shí)行，升高溫度可促進(jìn)擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移。,77,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)。鈴木秀次指出，由于擴(kuò)展位錯(cuò)的層錯(cuò)區(qū)具有與周?chē)w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: 鈴木氣團(tuán)與溫度無(wú)關(guān) ，鈴木氣團(tuán)與位錯(cuò)類(lèi)型無(wú)關(guān)。,78,5.位錯(cuò)

29、反應(yīng)和固定位錯(cuò),位錯(cuò)反應(yīng) 幾何條件：根據(jù)柏氏矢量守恒性，反應(yīng)前后諸位錯(cuò)的柏氏矢量之和相等，即b前b后 能量條件：從熱力學(xué)的角度看位錯(cuò)反應(yīng)后應(yīng)變能必須有所降低?？山频貙⑽诲e(cuò)反應(yīng)的能量判據(jù)取為： b2前 b2后,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),79,5.位錯(cuò)反應(yīng)和固定位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),80,5.位錯(cuò)反應(yīng)和固定位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),81,固定位錯(cuò),不能產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)的刃型位錯(cuò)。,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),特點(diǎn)： 位錯(cuò)滑動(dòng)面與晶體滑移面不一致。,實(shí)例： 弗蘭克不全位錯(cuò)。,82,固定位錯(cuò),Lomer位錯(cuò) 位錯(cuò)線AB的ba110/2，是單位位錯(cuò)，而且位錯(cuò)線與b垂直，是純?nèi)行臀诲e(cuò)，但是AB

30、和b所確定的滑動(dòng)面是(001)，它不是面心立方晶體特有的滑移面111，所以是固定位錯(cuò)，不能做滑移運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)位錯(cuò)稱之為L(zhǎng)omer位錯(cuò)。,Lomer位錯(cuò)反應(yīng),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),83,Lomer-Cotroll位錯(cuò),反應(yīng)生成的位錯(cuò)線為AB，夾在兩個(gè)層錯(cuò)的中間，滑移面為001，不可動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)稱之為面角位錯(cuò)，也稱之為L(zhǎng)omer-Cotroll位錯(cuò)。AB位錯(cuò)稱為壓桿位錯(cuò)，阻礙2個(gè)擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),84,6.Thompson四面體,AB有兩種分解方法,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),85,Thompson四面體的作用,確定某一單位位錯(cuò)可能分解為哪兩種肖克萊不全位錯(cuò)組成的擴(kuò)展

31、位錯(cuò)。 確定Lomer位錯(cuò)(2個(gè)單位位錯(cuò)反應(yīng)生成一個(gè)不可動(dòng)Lomer位錯(cuò)) 確定Cottrell-Lomer位錯(cuò) 一個(gè)單位位錯(cuò)和一個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)可以反應(yīng)生成一個(gè)弗蘭克不全位錯(cuò)。,L1,L2,6.Thompson四面體,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),86,(二) 密排六方晶體中的位錯(cuò),全位錯(cuò) 柏氏矢量為AB、BC、AC ba/3 Schockley不全位錯(cuò) b=a/3,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),87,(二) 密排六方晶體中的位錯(cuò),88,Frank不全位錯(cuò),和FCC晶體類(lèi)似，在HCP晶體中，過(guò)飽和空位或間隙原子的擇優(yōu)聚集和塌陷也會(huì)形成Frank位錯(cuò)環(huán)。,(二) 密排六方晶體中的位錯(cuò),89,(三) 體

32、心立方晶體中的位錯(cuò),全位錯(cuò) b=a/2?；泼嬗?個(gè)110、3個(gè)112、6個(gè)123三類(lèi)。在外力作用下，螺型全位錯(cuò)沿不同的110面或沿以上晶面組合發(fā)生交滑移，容易得到波浪型的滑移線。,七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),90,位錯(cuò)環(huán) 在輻照后的BCC晶體中過(guò)飽和的間隙原子和空位片會(huì)擇優(yōu)聚集在密排的110面上，形成柏氏矢量b=a/2的位錯(cuò)環(huán)。但由于這些面上不能形成穩(wěn)定的層錯(cuò)，故上述位錯(cuò)環(huán)通過(guò)反應(yīng)，形成b=a/2和b=a的位錯(cuò)環(huán)。,(三) 體心立方晶體中的位錯(cuò),七、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)組態(tài),91,孿晶位錯(cuò) bcc晶體的孿晶面為112、孿生方向111,孿生滑移量為111a/6，一般要求在孿晶厚度幾百甚至幾千平行的1

33、12面上都形成柏氏矢量111a/6的Shockley分位錯(cuò)，這是不可能的。,(三) 體心立方晶體中的位錯(cuò),92,(三) 體心立方晶體中的位錯(cuò),裂紋位錯(cuò),93,八、位錯(cuò)的觀察(補(bǔ)充),1.蝕坑法,94,95,2.電鏡法,96,鍺晶體中位錯(cuò)的電子顯微鏡圖象,97,九、位錯(cuò)理論的應(yīng)用 (補(bǔ)充),1.晶體的實(shí)際強(qiáng)度為什么遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度? 這是因?yàn)閷?shí)際晶體的塑性變形是通過(guò)局部滑移進(jìn)行的，故所加外力僅需破壞局部區(qū)域滑移面兩邊原子的結(jié)合鍵，而此局部區(qū)域是有缺陷(即位錯(cuò))的區(qū)域，此處原子本來(lái)就處于亞穩(wěn)狀態(tài)，只需很低的外應(yīng)力就能離開(kāi)平衡位置，發(fā)生局部滑移。,98,2.晶體為什么會(huì)加工硬化？ 因?yàn)榫w在塑性變形過(guò)

34、程中位錯(cuò)密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場(chǎng)不斷增大，位錯(cuò)間的交互作用不斷增強(qiáng)，因而位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越困難。具體地說(shuō)，引起晶體加工硬化的機(jī)制有：位錯(cuò)的塞積、位錯(cuò)的交割(形成不易或不能滑移的割階、或形成復(fù)雜的位錯(cuò)纏結(jié))、位錯(cuò)的反應(yīng)(形成不能滑移的定位錯(cuò))、易開(kāi)動(dòng)的位錯(cuò)源(即極軸位錯(cuò)之間的距離大的F-R源)不斷消耗等等。,九、位錯(cuò)理論的應(yīng)用 (補(bǔ)充),99,3.金屬為什么會(huì)退火軟化? 因?yàn)榻饘僭谕嘶疬^(guò)程中位錯(cuò)在內(nèi)應(yīng)力作用下通過(guò)滑移和攀移而重新排列，以及異號(hào)位錯(cuò)相消而使位錯(cuò)密度下降。位錯(cuò)的重排發(fā)生在低溫退火(回復(fù))過(guò)程，此時(shí)同號(hào)刃位錯(cuò)排成位錯(cuò)墻，形成多邊化結(jié)構(gòu)(對(duì)單晶體)或亞晶粒，其主要效果是消除內(nèi)應(yīng)力和使物理性質(zhì)(如電阻率)恢復(fù)到冷加工前的數(shù)值。位錯(cuò)密度的顯著下降發(fā)生在高溫退火(再結(jié)晶)過(guò)程，它導(dǎo)致金屬顯著軟化(強(qiáng)度顯著下降)。,九、位錯(cuò)理論的應(yīng)用 (補(bǔ)充),100,4.位錯(cuò)如何使晶體的彈性模量減小? 可以用一對(duì)位于相距很近的平行滑移面上的異號(hào)刃型位錯(cuò)間的交互作用來(lái)解釋。 5.BCC晶體中為何出現(xiàn)明顯屈服點(diǎn)和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象? 這主要是因?yàn)殚g隙式元