實際晶體中的位錯

1、3.2.4 實際晶體中的位錯 實際上晶體中的位錯決定于晶體結(jié)構(gòu)及能量實際上晶體中的位錯決定于晶體結(jié)構(gòu)及能量條件兩個因素。在此條件兩個因素。在此特別討論面心立方晶體中的特別討論面心立方晶體中的位錯。位錯。(1)實際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯全位錯 柏氏矢量為沿著滑移方向的原子間距的柏氏矢量為沿著滑移方向的原子間距的整數(shù)倍的位錯稱為的位錯稱為全位錯。若沿著滑移方向連接相鄰。若沿著滑移方向連接相鄰原子的矢量為原子的矢量為s，則全位錯的柏氏矢量，則全位錯的柏氏矢量b=ns，n為為正整數(shù)。當正整數(shù)。當n=1時，這樣的全位錯的能量最低，此時，這樣的全位錯的能量最低，此時位錯稱為時位錯稱為單位位錯，也稱為，也稱為

2、完整位錯。單位位錯的柏氏矢量一定平行于各自晶體的最密單位位錯的柏氏矢量一定平行于各自晶體的最密排方向。排方向。面心立方結(jié)構(gòu)：面心立方結(jié)構(gòu)：b為為a/2，體心立方結(jié)構(gòu)：體心立方結(jié)構(gòu)： b為為a/2密排六方結(jié)構(gòu)：密排六方結(jié)構(gòu)： b為為a/3ab22ab ab23 紙面為滑移紙面為滑移 面面(111)，左側(cè)為未滑移區(qū)，右側(cè)，左側(cè)為未滑移區(qū)，右側(cè)為已滑移區(qū)，均屬正常堆垛，在已滑移區(qū)和未滑移為已滑移區(qū)，均屬正常堆垛，在已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界處存在一個單位位錯。當位錯線在滑移面區(qū)的交界處存在一個單位位錯。當位錯線在滑移面掃過之后，滑移面上下的原子排列整齊如舊。單位掃過之后，滑移面上下的原子排列整齊如舊。

3、單位位錯滑移時，不破壞滑移面上下原子排列的完整性，位錯滑移時，不破壞滑移面上下原子排列的完整性，因此單位位錯又稱為因此單位位錯又稱為完整位錯。FCC中全位錯滑移時原子的滑動路徑B層原子的滑動分兩步：BCB 如如圖中圖中FCC晶體的晶體的滑移面為滑移面為(111)晶面，柏晶面，柏氏矢量方向為氏矢量方向為110晶向，晶向，b=1/2110；半原子面；半原子面(攀移面攀移面)為為(110)晶面，晶面，其堆垛次序為其堆垛次序為ababab FCC晶體的全位錯的柏氏矢量應(yīng)為晶體的全位錯的柏氏矢量應(yīng)為b=a/2，簡寫成簡寫成b=1/2。全位錯的滑移面是。全位錯的滑移面是111，刃型位，刃型位錯的攀移面（垂

4、直于滑移面和滑移方向的平面）是錯的攀移面（垂直于滑移面和滑移方向的平面）是110。112 將滑移面將滑移面(111)水平放置，攀移面水平放置，攀移面(110)則為垂直位則為垂直位置，置，F(xiàn)CC中刃型全位錯如圖所示。由于形成位錯時不中刃型全位錯如圖所示。由于形成位錯時不能改變能改變FCC的晶體結(jié)構(gòu)，故在的晶體結(jié)構(gòu)，故在a層和層和b層之間必須插入層之間必須插入b、a兩層半原子面才能形成全位錯。兩層半原子面才能形成全位錯。 (2)不全位錯 在實際晶體中，存在的柏氏矢量在實際晶體中，存在的柏氏矢量小于最短平移矢最短平移矢量量(即最近鄰的兩個原子間距即最近鄰的兩個原子間距)的位錯叫的位錯叫部分位錯。柏。

5、柏氏矢量不等于最短平移矢量的整數(shù)倍的位錯叫氏矢量不等于最短平移矢量的整數(shù)倍的位錯叫不全位錯。 不全位錯沿滑移面掃過之后，滑移面上下層原子不全位錯沿滑移面掃過之后，滑移面上下層原子不再占有平常的位置，產(chǎn)生了錯排，形成了不再占有平常的位置，產(chǎn)生了錯排，形成了堆垛層錯(Stacking fault)。在密排面上，將上下部分晶體作適。在密排面上，將上下部分晶體作適當?shù)南鄬疲蛟谡５亩讯忭樞蛑谐槌鲆粚踊虿瀹數(shù)南鄬?，或在正常的堆垛順序中抽出一層或插入一層均可形成層錯。入一層均可形成層錯。 金屬中出現(xiàn)層錯的幾率與層錯能的大小有關(guān)。金屬中出現(xiàn)層錯的幾率與層錯能的大小有關(guān)。在層錯能高的材料如鋁中，則其

6、中看不到層錯；在層錯能高的材料如鋁中，則其中看不到層錯；在層錯能低的材料如奧氏體不銹鋼或在層錯能低的材料如奧氏體不銹鋼或黃銅中，可黃銅中，可能形成大量的層錯。見表能形成大量的層錯。見表7-4。 層錯破壞了晶體中正常的周期性，使電子發(fā)生層錯破壞了晶體中正常的周期性，使電子發(fā)生額外的散射，從而使能量增加，但是層錯不產(chǎn)生點額外的散射，從而使能量增加，但是層錯不產(chǎn)生點陣畸變，因此層錯能比晶界能低得多。陣畸變，因此層錯能比晶界能低得多。 對于多層對于多層(111)面按面按ABCABC順序堆垛而成順序堆垛而成的的FCC晶體，晶體，B層原子滑層原子滑移到移到C位置時就形成了一位置時就形成了一層層錯，增加了晶

7、體的層層層錯，增加了晶體的層錯能。如果層錯能較小，錯能。如果層錯能較小，則則B層原子會停留亞穩(wěn)的層原子會停留亞穩(wěn)的C位置；若層錯能較大，則位置；若層錯能較大，則B原子會連續(xù)滑移兩次而原子會連續(xù)滑移兩次而回到回到B位置。位置。 FCC中全位錯滑移時原子的滑動距徑B層原子的滑動分兩步：BCBShockley分位錯的定義：分位錯的定義： 在在FCC晶體中位于晶體中位于111晶面上柏氏矢量為晶面上柏氏矢量為b=a/6 的位錯。的位錯。 晶體中的層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)的交界即是不全位晶體中的層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)的交界即是不全位錯。在面心立方晶體中，存在兩種不全位錯，即是錯。在面心立方晶體中，存在兩種不全位錯，

8、即是肖肖克萊克萊(Shockley)不全位錯不全位錯和和弗蘭克弗蘭克(Frank)不全位錯不全位錯。肖克萊(Shockley)不全位錯(刃型)的結(jié)構(gòu) 位錯線左側(cè)的正常堆垛區(qū)的原子由位錯線左側(cè)的正常堆垛區(qū)的原子由B位置沿柏位置沿柏氏矢量氏矢量b2滑移到滑移到C位置，即層錯區(qū)擴大，不全位錯位置，即層錯區(qū)擴大，不全位錯向左滑移。向左滑移。肖克萊不全位錯可以是刃型、螺型和肖克萊不全位錯可以是刃型、螺型和混合型。肖克萊不全位錯可以滑移?；旌闲汀Ｐた巳R不全位錯可以滑移。 Shockley分位錯的特點： (a) 位于孿生面上，柏氏矢量沿孿生方向，且小于位于孿生面上，柏氏矢量沿孿生方向，且小于孿生方向上的原子

9、間距孿生方向上的原子間距: (b) 不僅是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，而且是有不僅是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，而且是有層錯區(qū)和無層錯區(qū)的邊界。層錯區(qū)和無層錯區(qū)的邊界。 (c) 可以是刃型、螺型或混合型?？梢允侨行?、螺型或混合型。 (d) 只能通過局部滑移形成。即使是刃型只能通過局部滑移形成。即使是刃型Shockley不不全位錯也不能通過插入半原子面得到，因為插入半全位錯也不能通過插入半原子面得到，因為插入半原子面不可能導(dǎo)致形成大片層錯區(qū)。原子面不可能導(dǎo)致形成大片層錯區(qū)。 (e) 即使是刃型即使是刃型Shockley不全位錯也只能滑移，不能不全位錯也只能滑移，不能攀移，因為滑移面上部（或下部）原子

10、的擴散不會攀移，因為滑移面上部（或下部）原子的擴散不會導(dǎo)致層錯消失，因而有層錯區(qū)和無層錯區(qū)之間總是導(dǎo)致層錯消失，因而有層錯區(qū)和無層錯區(qū)之間總是存在著邊界線，即肖克萊不全位錯線。存在著邊界線，即肖克萊不全位錯線。 (f ) 即使是螺型肖克萊不全位錯也不能交滑移，因即使是螺型肖克萊不全位錯也不能交滑移，因為螺型肖克萊不全位錯是沿為螺型肖克萊不全位錯是沿112方向，而不是沿方向，而不是沿兩個兩個111面（主滑移面和交滑移面）的交線面（主滑移面和交滑移面）的交線110方向，故它不可能從一個滑移面轉(zhuǎn)到另一個滑移面方向，故它不可能從一個滑移面轉(zhuǎn)到另一個滑移面上交滑移。上交滑移。面心立方晶體中的Frank位

11、錯 除局部滑移外，通過抽出或插入部分除局部滑移外，通過抽出或插入部分111面也面也可形成局部層錯。如可形成局部層錯。如(a)圖，從無層錯區(qū)圖，從無層錯區(qū)111面中抽面中抽出部分出部分111 面，堆垛次序由面，堆垛次序由ABCABCABC變?yōu)樽優(yōu)锳BCABABC ，從而產(chǎn)生了局部層錯，其層錯區(qū)與從而產(chǎn)生了局部層錯，其層錯區(qū)與正常堆垛區(qū)交界就是正常堆垛區(qū)交界就是Frank位錯。 其柏氏矢量為其柏氏矢量為b=a/3。類似的，插入部分。類似的，插入部分111111面后也會形成面后也會形成Frank位錯。 Frank位錯位錯不能滑移，只能攀移。不能滑移，只能攀移。 Frank分位錯的特點：(a) 位于位

12、于111晶面上，可以是直線、曲線和封閉環(huán)，但晶面上，可以是直線、曲線和封閉環(huán)，但是無論是什么形狀，它總是刃型的。因為是無論是什么形狀，它總是刃型的。因為b=1/3和和111晶面垂直。晶面垂直。(b) 由于由于b不是不是FCC的滑移方向，所以的滑移方向，所以Frank分位錯不分位錯不能滑移，只能攀移（只能通過擴散擴大或縮?。Ｄ芑疲荒芘室疲ㄖ荒芡ㄟ^擴散擴大或縮?。?。不再是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，而且是有層錯不再是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，而且是有層錯區(qū)和無層錯區(qū)的邊界。區(qū)和無層錯區(qū)的邊界。 注意與注意與Shockley分位錯的特點進行比較。分位錯的特點進行比較。擴展位錯定義： 將兩個將兩個

13、Shockley分位錯、中間夾分位錯、中間夾著一片層錯的整著一片層錯的整個缺陷組態(tài)稱為個缺陷組態(tài)稱為擴展位錯擴展位錯。 擴展位錯的柏氏矢量：擴展位錯的柏氏矢量：b=b1+b2=1/2 擴展位錯是一個單位位錯分解成的兩個不全位錯是一個單位位錯分解成的兩個不全位錯中間夾住的一片層錯的組態(tài)。中間夾住的一片層錯的組態(tài)。面心立方晶體的滑移及擴展位錯 擴展位錯的特點(3)組成擴展位錯的兩個肖克萊不全位錯由于交互組成擴展位錯的兩個肖克萊不全位錯由于交互作用必然處于相互平行的位置，其間的距離作用必然處于相互平行的位置，其間的距離d即即層錯區(qū)的寬度，其值保持不變。其值保持不變。(1)位于位于111面上，由兩條平

14、行的面上，由兩條平行的Shockley不全位不全位錯中間夾著的一片層錯區(qū)組成。錯中間夾著的一片層錯區(qū)組成。(2)柏氏矢量柏氏矢量b=b1+b2=1/2, b1和和b2分別是肖克分別是肖克萊不全位錯的柏氏矢量，它們的夾角為萊不全位錯的柏氏矢量，它們的夾角為60。(4)擴展位錯可在滑移面內(nèi)滑移，但不能攀移。擴展位錯可在滑移面內(nèi)滑移，但不能攀移。(5)擴展位錯的兩個擴展位錯的兩個Shockley分位錯在一定條件下可分位錯在一定條件下可以合并，形成一個螺型全位錯，由此可以交滑移。以合并，形成一個螺型全位錯，由此可以交滑移。(3) 位錯反應(yīng) 由幾個位錯合成一個新位錯或由一個位錯分解為由幾個位錯合成一個新

15、位錯或由一個位錯分解為幾個新位錯的過程稱為幾個新位錯的過程稱為位錯反應(yīng)。位錯反應(yīng)能否進行決定于兩個條件： 必須滿足幾何條件及柏氏矢量的守恒性，反應(yīng)必須滿足幾何條件及柏氏矢量的守恒性，反應(yīng)前后諸位錯的前后諸位錯的柏氏矢量和應(yīng)相等，即，即后前bb 必須滿足能量條件，即必須滿足能量條件，即反應(yīng)后反應(yīng)后諸位錯的總能量諸位錯的總能量應(yīng)應(yīng)小于反應(yīng)前反應(yīng)前諸位錯的總能量諸位錯的總能量，即，即22后前bb例如：FCC的全位錯分解為的全位錯分解為Shockley分位錯：分位錯：bb1+b2121611126110121判斷該位錯反應(yīng)能否進行？判斷該位錯反應(yīng)能否進行？符合計算能量條件：反應(yīng)前：反應(yīng)前： 21011

16、212222212bbmii反應(yīng)后：反應(yīng)后：31666622222112bbbnjjmiinjjbb1212符合能量條件：所以，此位錯反應(yīng)可以自發(fā)地進行。miinjj12111012130361bbbb?幾何條件: FCC晶體中位錯反應(yīng)晶體中位錯反應(yīng)的一般表示：的一般表示：Thompson湯普森四面體 四面體的四面體的4個頂點分別位于晶體中的個頂點分別位于晶體中的A(1/2,0,1/2)，B(0,1/2,1/2)，C(1/2,1/2,0)，D(0,0,0)等，假定四面體等，假定四面體的的4個外表面的中心分別為個外表面的中心分別為，和和，其中其中是對是對著頂點著頂點A的外表面的中心。其余類推。的

17、外表面的中心。其余類推。 這樣這樣A、B、C、D、 、等等8個點中的每個點中的每2個點連成的向個點連成的向量就表示了量就表示了FCC晶體中所有重要晶體中所有重要位錯的柏氏矢量。位錯的柏氏矢量。 羅-羅向量由四面體頂點由四面體頂點A、B、C、D(羅馬字母羅馬字母)連成的向量：連成的向量：11021101211012111021,01121,10121DCBDBCDCADACDBADABDCDBDA羅-羅向量就是就是FCC中中全位錯的的柏氏矢量 不對應(yīng)的羅-希向量 由四面體頂點由四面體頂點(羅馬字母羅馬字母)和通過該頂點的外表面和通過該頂點的外表面中心中心(不對應(yīng)的希臘字母不對應(yīng)的希臘字母)連成的

18、向量：連成的向量： 這些向量可以由三角形重心性質(zhì)求得，例如：這些向量可以由三角形重心性質(zhì)求得，例如：121610114111021322132CBDCD不對應(yīng)的羅-希向量就是FCC中Shockley分位錯的柏氏矢量21161,12161,1126111261,121 61,211 61,1216111261,21161,11261,21161CCCBBBAAADD不對應(yīng)的羅-希向量就是FCC中Shockley分位錯的柏氏矢量：CCCBBBAAADDD, , ， 對應(yīng)的羅-希向量根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對應(yīng)的羅希向量：根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對應(yīng)的羅希向量：111311216110121 111

19、311126101121111 31 121611102111131211 6110121ADADDCDCCBCBBABA對應(yīng)的羅希向量就是FCC中Frank分位錯的柏氏矢量。 希-希向量所有希希向量也都可以根據(jù)向量合成規(guī)則求得：所有希希向量也都可以根據(jù)向量合成規(guī)則求得：BAAA31011 6121161 111 31DCDBCBDACA311106131011613101161311016131 11061希希向量就是FCC中壓桿位錯的柏氏矢量。FCC中的位錯反應(yīng)，即位中的位錯反應(yīng)，即位錯的合成與分解也可以用錯的合成與分解也可以用Thompson四面體中的向量四面體中的向量來表示。來表示。洛末-柯垂耳(Lomer-Cottrell) 位錯的形成 在面心立方晶體的在面心立方晶體的(111)和和(111)面上各有一個柏氏矢面上各有一個柏氏矢量為量為b1=a/2101和和b2=a/2011的全位錯，且這兩條位的全位錯，且這兩條位錯線平行于兩滑移面的交線錯線平行于兩滑移面的交線AD