晶體缺陷與固態(tài)相變

1、晶體缺陷與固態(tài)相變主講：崔占全 教授導(dǎo)入案例 金屬的理論剪切強(qiáng)度約為（G為切變模量），而實際金屬的剪切強(qiáng)度要比這個理論值低34個數(shù)量級，即相差幾千到幾萬倍。例如：-Fe的理論切應(yīng)力為10960 MN/m2,而實際切應(yīng)力僅為2.75 MN/m2。這是什么原因？這涉及到晶體缺陷問題。 Now What Do You See?VacancyInterstitial第一篇 晶體缺陷 概述一、理想晶體1、金屬晶體為連續(xù)介質(zhì)；2、將原子、分子、離子、原子群、分子群看成固定不動的小球；3、每一個結(jié)點均完整性、規(guī)則性被一個原子占據(jù)。 經(jīng)過高度抽象及數(shù)學(xué)計算后，我們才有7種晶系14種晶格類型、230種空間群32

2、種點群。1.占據(jù)結(jié)點位置的原子并不是靜止不動的，而是以一定平衡位置為中心做熱振動；2.原子并不完全占據(jù)晶格結(jié)點位置，晶體中原子排列存在著許多的不規(guī)則性及不完整性。即為晶體缺陷。 晶體缺陷對晶體的性能，特別是對那些結(jié)構(gòu)敏感的性能，如屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等都有很大的影響。 另外，晶體缺陷還與擴(kuò)散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等著有密切關(guān)系。二、實際晶體三、晶體缺陷：2、缺陷種類：根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可以將缺陷分為三類； a)點缺陷：其特征是在三維空間的各個方向上尺寸都很小，尺 寸范圍約為一個或幾個原子尺度，故稱為零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子；b)線缺陷

3、，其特征是在兩個方向上尺寸很小，另外一個方向上延伸較長，也稱為一維缺陷，如各類位錯；c)面缺陷，其特征是在一個方向上尺寸很小，另外兩個方向上擴(kuò)展很大，也稱為二維缺陷。晶界、相界 、孿晶界和堆垛層錯等都屬于面缺陷。 在晶體中，這三類缺陷經(jīng)常共存，它們相互聯(lián)系，相互制約，在一定條件下還能互相轉(zhuǎn)化，從而對晶體性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。1、定義：晶體中原子排列的不規(guī)則性及不完整性稱為晶體缺陷3、導(dǎo)致晶體缺陷產(chǎn)生的原因 （1）結(jié)晶時的生長條件 （2）原子在晶體內(nèi)部的熱振動 （3）加工過程 （4）輻射4、雖然晶體中存在缺陷，但從總體來看，其結(jié)構(gòu)仍保持著規(guī)律性；缺陷不是靜止的、穩(wěn)定不變的，是隨外界條件而變化的。1

4、、由右圖可得隨著缺陷數(shù)目的增加，金屬的強(qiáng)度下降。原因是缺陷破壞了原子間結(jié)合力，從宏觀上看，即隨缺陷數(shù)目增加，強(qiáng)度下降。2、隨著缺陷數(shù)目的增加，金屬的強(qiáng)度增加。原因是位錯交割纏結(jié)，使位錯運動的阻力增加，強(qiáng)度增加。 由此可見，強(qiáng)化金屬的方向有兩個：一是制備無缺陷的理想晶體，其強(qiáng)度最高，但實際上很難；另一種是制備缺陷數(shù)目多的晶體，例如：納米晶體，非晶態(tài)晶體等。 四、研究晶體缺陷的實際意義四、研究晶體缺陷的實際意義 按理想晶體計算金屬的理論金屬強(qiáng)度與實際金屬強(qiáng)度相差3-4個數(shù)量級，例如：-Fe理論切應(yīng)力為10960MN/m2,而實際切應(yīng)力為2.75MN/m2；Cu的理論切應(yīng)力為6480MN/m2,實際

5、為0.490MN/m2這是為什么？人們研究發(fā)現(xiàn)實際金屬中是存在各種缺陷的。 第一章 點缺陷一、點缺陷的基本概念1、定義：缺陷尺寸在三維方向上都很小且與原子尺寸相當(dāng)?shù)娜毕荩Q為點缺陷。2、點缺陷的類型：點陣空位、間隙原子、異類原子（基本類型）；空位對、空位團(tuán)、空位-溶質(zhì)原子對等（復(fù)雜缺陷）二、點缺陷介紹：一）點陣空位1.空位的定義：在晶體中點陣結(jié)點并不是完全被原子占據(jù)，當(dāng)點陣結(jié)點不被原子占據(jù)，這時就出現(xiàn)空結(jié)點，點陣中出現(xiàn)空結(jié)點的空位。2.空位產(chǎn)生的條件：熱運動3.空位模型a)Schottky缺陷：跑掉的原子遷移到晶體表面。b)Frenkel缺陷：跑掉的原子遷移到晶格間隙。離開平衡位置的原子的三個

6、去處：遷移到晶體表面(或內(nèi)表面）的正常結(jié)點位置；遷移到晶格的間隙中；遷移到其它空位處。Schottky defectFrenkel defect對于弗倫克爾缺陷，間隙原子和空格點是成對產(chǎn)生，晶體的體積不發(fā)生改變；而肖特基缺陷使晶體體積增加。4. 空位濃度 F=U-TS 式中，U為內(nèi)能，S為總熵值，T為絕對溫度。 點陣畸變使晶體內(nèi)能提高點陣畸變使晶體內(nèi)能提高降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性矛盾晶體中的點缺陷在一定溫度晶體中的點缺陷在一定溫度下有一定的下有一定的平衡濃度平衡濃度 原子排列混亂程度增加，原子排列混亂程度增加，使晶體熵值增大，增加了使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定

7、性晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性在某一溫度下熱缺陷的數(shù)目可以用熱力學(xué)中自由能的最小原理來進(jìn)行計算。在某一溫度下熱缺陷的數(shù)目可以用熱力學(xué)中自由能的最小原理來進(jìn)行計算。6.空位的運動a)空位的運動模型b)空位的遷移率c)空位的最終結(jié)果，運動會引起自擴(kuò)散：使得空位消失或是聚集形成空位片。7.高溫淬火，輻射等都會引起空位過飽和。8. 點缺陷可以由熱起伏形成： 熱平衡缺陷：由于熱起伏促使原子脫離點陣位置而形成的點缺陷。 點缺陷還可以由其它方式形成： 過飽和的點缺陷：通過高溫淬火、冷變形加工和高能粒子的輻照效應(yīng)等形成。二）間隙原子1.原子不占據(jù)正常結(jié)點位置而是占據(jù)點陣間隙位置稱為間隙原子。它是由于原子的熱運動而產(chǎn)生的

8、，它會引起點陣畸變。2.間隙原子的運動會引起自擴(kuò)散，當(dāng)與空位，刃型位錯相遇時會消失，運動到晶體表面也會消失。3.間隙原子的濃度：/vukTcn NAe4.空位（點缺陷）對性能的影響a)體積減小，密度減小b)電阻增加結(jié)論：1、間隙原子造成的晶格畸變遠(yuǎn)較空位嚴(yán)重。 2、形成肖特基缺陷所需能量比弗侖克爾缺 陷要小得多，所以一般晶體中，主要是形成肖特基 缺陷，即點缺陷主要是空位而不是間隙原子。第二章 線缺陷 第一節(jié) 位錯的結(jié)構(gòu)一、位錯的基本概念：1、位錯的定義： 位錯是晶體原子排列的一種特殊組態(tài)。晶體中沿某一原子面及某一原子方向發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象；從位錯的幾何結(jié)構(gòu)來看，位錯是已滑移區(qū)(lip

9、Zone)與未滑移區(qū)在滑移面(lip Plane)上的交界線，稱為位錯線；從伯氏矢量角度來看，位錯是伯氏矢量不為零的晶體缺陷。2、位錯的種類：可將它們分為三種基本類型，即刃型位錯、螺型位錯和混合位錯。 3、位錯的產(chǎn)生： 當(dāng)金屬晶體受力發(fā)生塑性變形時，一般是通過滑移過程進(jìn)行的，即晶體中相鄰兩部分在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面和晶向相對滑動，滑移的結(jié)果在晶體表面上出現(xiàn)明顯的滑移痕跡滑移線。4、位錯的滑移機(jī)理：1）、剛性相對滑移模型2）、逐步滑移形成了位錯 本節(jié)將就位錯的基本概念，位錯的彈性性質(zhì)，位錯的運動、交割、增殖和實際晶體的位錯進(jìn)行分析。二、位錯的基本類型和特征一）、刃型位錯1.刃型位錯的模型：

10、在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種方向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯位錯（dislocation），），如如圖圖所示。所示。 線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。密切相關(guān)。 2、刃型位錯結(jié)構(gòu)的特點a)刃型位錯有一個額外的半個原子面。b)刃型位錯線可以理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。c)滑移面必定包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。d)晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點

11、陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。e)在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的平均能量。 G H E F刃型位錯示意圖：刃型位錯示意圖：(a)(a)立體模型立體模型;(b);(b)平面圖平面圖 晶體局部滑移造成的刃型位錯晶體局部滑移造成的刃型位錯二）螺型位錯1、螺型位錯的模型：CBAD(b) 螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖: :（a a）立體模型）立體模型 ；（；（b b）平面圖）平面圖ABCD(a )2、螺型位錯的結(jié)構(gòu)螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖3、 螺型位錯具有以下特征a)螺型位錯無額外半個原子面，原子錯排是呈對稱的。b)根據(jù)位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺型位錯

12、可分為右旋和左旋螺型位錯。c)螺型位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線，而且位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直。d)純螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯線的平面都可以作為他的滑移面。e)螺型位錯線周圍的點陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯線的切應(yīng)變而無正應(yīng)變，則不會引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出缺陷。f)螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個原子寬度的線缺陷。三）混合位錯1.滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。2.混合位錯附近的原子組態(tài)如圖3.由于位錯線

13、是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。因此，位錯具有一個重要的性質(zhì)，即一根位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。三、位錯的結(jié)構(gòu)特征三、位錯的結(jié)構(gòu)特征伯氏矢量伯氏矢量 一）伯氏矢量的確定方法及其與位錯的關(guān)系1、伯氏矢量的確定1）為了便于描述晶體中的位錯，以及更為確切地表征不同類型位錯的特征，伯格斯（J.M.Burgers)提出了采用伯氏回路來定義位錯。2）伯氏矢量可以通過伯氏回路來確定。具體步驟如下：a)首先選定位錯線的正向。b)在實際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯（避開位錯線附近的嚴(yán)重畸變區(qū)）以一定的步數(shù)作一右旋閉合回路MNOPQ(稱為伯氏回路）。c)在完整晶體中按同樣的方向和

14、步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉，由終點Q向起點M引一矢量b，使該回路閉合，這個矢量b就是實際晶體中位錯的伯氏矢量。3） 刃型位錯的伯氏矢量與位錯線垂直，它的正、負(fù)，可借右手法則來確定。4）螺型位錯的伯氏矢量也可以按同樣的方法加以確定。螺型位錯的伯氏矢量與位錯線平行，且規(guī)定b與回路正向平行為右螺旋，反平行為左螺旋。v刃型位錯刃型位錯 刃型位錯柏氏矢量的確定刃型位錯柏氏矢量的確定a)a)實際晶體的柏氏回路實際晶體的柏氏回路 b)b)完整晶體的相應(yīng)回路完整晶體的相應(yīng)回路刃型位錯的柏氏矢量與其位錯線相垂直v螺型位錯螺型位錯 螺型位錯柏氏矢量的確定螺型位錯柏氏矢量的確定a)a)實際晶體的柏氏回路實際晶

15、體的柏氏回路 b)b)完整晶體的相應(yīng)回路完整晶體的相應(yīng)回路螺型位錯的柏氏矢量與其位錯線相平行v刃型位錯的一個重要特征：刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直。v刃型位錯的正、負(fù)，可用右手法則來確定。即用右手的姆指、食指和中指構(gòu)成直角坐標(biāo)，以食指指向位錯線的方向，中指指向柏氏矢量的方向，則拇指的指向代表多余半原子面的位向，且規(guī)定拇指向上者為正刃型位錯；反之為負(fù)刃型位錯。刃型位錯的正負(fù)號的確定方法刃型位錯的正負(fù)號的確定方法右手法則右手法則位錯線方向：指向紙外刃型位錯刃型位錯正負(fù)號正負(fù)號與與柏氏矢量柏氏矢量和和位錯線方向位錯線方向間的關(guān)系間的關(guān)系正正負(fù)負(fù)bb中指中指（柏氏矢量方向柏氏矢量方向）食指食指（位錯

16、線方向位錯線方向）拇指拇指（刃型（刃型位錯正負(fù)位錯正負(fù)）v因為多出的半原子面在滑移面上邊，所以因為多出的半原子面在滑移面上邊，所以此圖為正刃型位錯，記為此圖為正刃型位錯，記為；中指中指（柏氏矢量方向柏氏矢量方向）食指食指（位錯線方向位錯線方向）拇指拇指（刃型（刃型位錯正負(fù)位錯正負(fù)）總結(jié)：刃型位錯的正負(fù)號的確定方法總結(jié)：刃型位錯的正負(fù)號的確定方法1、額外、額外半原子面在半原子面在滑移面上邊滑移面上邊的稱為的稱為正刃型位錯正刃型位錯，記為記為“”；而把多出在下邊的稱為負(fù)刃型位錯，記為而把多出在下邊的稱為負(fù)刃型位錯，記為“”。2、右手法則：右手法則：可用右手法則來確定。拇指的指向可用右手法則來確定。

17、拇指的指向代表多余半原子面的位向，且規(guī)定代表多余半原子面的位向，且規(guī)定拇指向上者拇指向上者為為正正刃型位錯；反之為負(fù)刃型位錯。刃型位錯；反之為負(fù)刃型位錯。根據(jù)位錯線方向和正負(fù)位錯判斷柏氏矢量方向螺型位錯的一個重要特征：螺型位錯的柏氏矢量與位螺型位錯的一個重要特征：螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行。錯線平行。規(guī)定柏氏矢量與位錯線正向平行者為右螺旋位錯，柏規(guī)定柏氏矢量與位錯線正向平行者為右螺旋位錯，柏氏矢量與位錯線反向平行者為左螺旋位錯。如圖所示。氏矢量與位錯線反向平行者為左螺旋位錯。如圖所示。螺型位錯的確定方法螺型位錯的確定方法左螺旋位錯左螺旋位錯1、通常用、通常用拇指拇指代表螺旋的前進(jìn)方向，而以

18、代表螺旋的前進(jìn)方向，而以其其余四指余四指代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。凡符合右手法則代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。凡符合右手法則的稱為右螺型位錯，符合左手法則的稱為左螺的稱為右螺型位錯，符合左手法則的稱為左螺型位錯。型位錯?？偨Y(jié)：螺型位錯的正負(fù)號的確定方法總結(jié)：螺型位錯的正負(fù)號的確定方法2、柏氏矢量與位錯線正向、柏氏矢量與位錯線正向方向相同的為右螺型方向相同的為右螺型位錯位錯，相反者為左螺型位錯，相反者為左螺型位錯。右螺旋位錯右螺旋位錯混合位錯的產(chǎn)生混合位錯的產(chǎn)生混合位錯混合位錯 柏氏矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任柏氏矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。

19、意角度，這種位錯稱為混合位錯。v矢量圖解法矢量圖解法bbbbbbebs刃型刃型螺型螺型混合型混合型sincosbbbbes用矢量圖解法可形象地概括三種類型位錯的主要特征：二）伯氏矢量的特性1.位錯周圍的所有原子，都不同程度地偏離其平衡位置。通過伯氏回路確定伯氏矢量的方法表明；伯氏矢量是一個反映位錯周圍點陣畸變總積累的物理量。該矢量的方向表示位錯的性質(zhì)與位錯的取向，即位錯運動導(dǎo)致晶體滑移的方向；而該矢量的模 表示了畸變的程度，稱為位錯的強(qiáng)度。由此，我們也可把位錯定義為伯氏矢量不為零的晶體缺陷。b2.伯氏矢量的守恒性：伯氏矢量與回路起點及其具體途徑無關(guān)。N21步步NbNNN3. 3. 一根位錯線具

20、有唯一的柏氏矢量。一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。 一根不分岔的位錯線，不論其形狀如何變化(直線、曲折線或閉合的環(huán)狀)，也不管位錯線上各處的位錯類型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且當(dāng)位錯在晶體中運動或者改變方向時，其柏氏矢量不變，即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。晶體中的位錯環(huán)晶體中的位錯環(huán)混和位錯混和位錯4. 4. 若一個柏氏矢量為若一個柏氏矢量為b b的位錯可以分解為柏氏矢量分別為的位錯可以分解為柏氏矢量分別為b b1 1，b b2 2b bn n的的n n個位錯，則分解后各位錯柏氏矢量之和等于原位個位錯，則分解后各位錯柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量，錯的柏氏矢量，即即b=b= 若有

21、數(shù)根位錯線相交于一點，則指向結(jié)點的各位錯線的柏若有數(shù)根位錯線相交于一點，則指向結(jié)點的各位錯線的柏氏矢量之和應(yīng)等于離開結(jié)點的各位錯線的柏氏矢量之和。氏矢量之和應(yīng)等于離開結(jié)點的各位錯線的柏氏矢量之和。 5. 5. 位錯的連續(xù)性位錯的連續(xù)性 ：位錯在晶體中存在的形態(tài)可形成一個閉：位錯在晶體中存在的形態(tài)可形成一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他位錯合的位錯環(huán)，或連接于其他位錯( (交于位錯結(jié)點交于位錯結(jié)點) )，或終止在，或終止在晶界，或露頭于晶體表面，但不能中斷于晶體內(nèi)部。這種性晶界，或露頭于晶體表面，但不能中斷于晶體內(nèi)部。這種性質(zhì)稱為位錯的連續(xù)性。質(zhì)稱為位錯的連續(xù)性。晶體中的位錯環(huán)晶體中的位錯環(huán) 一根位

22、錯線不能終止于晶體內(nèi)部，一根位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能中止在而只能中止在晶體的表面晶體的表面或或晶界晶界上。上。 若它終止于晶體內(nèi)部，則形成若它終止于晶體內(nèi)部，則形成位錯環(huán)位錯環(huán)或者或者三維位錯網(wǎng)絡(luò)三維位錯網(wǎng)絡(luò)。晶體中的位錯網(wǎng)絡(luò)晶體中的位錯網(wǎng)絡(luò)三）伯氏矢量的表示法1.伯氏矢量的大小和方向用點陣矢量a,b和c來表示。一般立方晶系中伯氏矢量可表示為 其中n為正整數(shù)。2.如果一個伯氏矢量b是另外兩個伯氏矢量b1 和b2之和，按矢量加法法則有：121 11222121212,aabbbu v wu v wnnauu vv wwnabuvwn柏氏矢量的大小和方向可用與它同向的晶向指數(shù)來表示。 例如

23、：例如： 在體心立方中，柏在體心立方中，柏氏矢量等于從體心立氏矢量等于從體心立方晶體的方晶體的原點原點到到體心體心的矢量。的矢量。1 1 11 1 12ab= 1 1 12a2a2a 3.通常用 來表示位錯的強(qiáng)度，稱為伯氏矢量的大小或模，即位錯的強(qiáng)度。4.能量較高的位錯通常傾向于分解為兩個或多個能量較低的位錯，并滿足以下兩個條件： 222abu v wn 123bbb222123bbb 如果各位錯線的方向都是朝向結(jié)點或都是離開結(jié)點的，則柏氏矢量之和恒為零。四）柏氏矢量的守恒性第二節(jié)第二節(jié) 位錯的運動與交割位錯的運動與交割 金屬受外力作用后產(chǎn)生宏觀的塑性變形，而這種宏觀上的塑性變形實質(zhì)是位錯在外

24、力作用下運動的結(jié)果，位錯的運動特點能夠說明晶體形變過程中臨界切應(yīng)力為何很小，以及位錯的增殖、形變強(qiáng)化等許多現(xiàn)象。因此，位錯如何運動是位錯理論的基本問題之一。 一、位錯的運動一、位錯的運動 1、位錯的滑移概念：位錯的滑移是在外加切應(yīng)力的作用下，通過位錯中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不斷地作少量的位移而逐步實現(xiàn)的。刃型位錯的滑移過程a) 在外切應(yīng)力 的作用下，位錯中心附近的原子由 “”位置移動小于一個原子間距的距離到達(dá)“”位置。b) 如果切應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯將繼續(xù)逐步移動。c) 當(dāng)位錯線沿滑移面滑移通過整個晶體時，就會在晶體表面沿伯氏矢量方向產(chǎn)生一個伯氏矢量大小的臺階。d)隨著位錯的移動，

25、位錯線所掃過的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，未滑移區(qū)則逐漸縮小，兩個區(qū)域始終以位錯線為分界線。e)在滑移時，刃型位錯的運動方向始終垂直于位錯線而平行于伯氏矢量。f)刃型位錯的滑移面就是由位錯線與伯氏矢量所構(gòu)成的平面，因此刃型位錯的滑移限于單一的滑移面上。螺型位錯滑移過程a)滑移時位錯線附近原子移動量很小。b)當(dāng)位錯線沿滑移面滑過整個晶體時，同樣會在晶體表面沿伯氏矢量方向產(chǎn)生寬度為一個伯氏矢量b的臺階。c)在滑移時，螺型位錯的移動方向與位錯線垂直，也與伯氏矢量垂直。d)螺型位錯，由于位錯線與伯氏矢量平行，故它的滑移不限于單一的滑移面上。混合位錯的移動情況a)任一混合位錯均可分解為刃型分量和螺型分量兩部分。b)根

26、據(jù)兩種位錯的分析，可以確定混合位錯的滑移。c)混合位錯在切應(yīng)力作用下，將沿其各點的法線方向，在滑移面上向外擴(kuò)展，最終使上下兩塊晶體沿伯氏矢量方向移動一個b大小的距離。2、刃型位錯的攀移運動 刃型位錯在垂直于滑移面方向的運動稱為攀移。通常把多余半原子面向上運動稱為正攀移，向下運動稱為負(fù)攀移，如圖1.53所示。刃型位錯的攀移相當(dāng)于多余半原子面的伸長或縮短，可通過物質(zhì)遷移即原子或空位的擴(kuò)散來實現(xiàn)。如果有空位遷移到半原子面下端或半原子面下端的原子擴(kuò)散到別處，半原子面將縮小，即位錯向上運動，則發(fā)生正攀移；反之，若有原子擴(kuò)散到半原子面下端。半原子面將擴(kuò)大，位錯向下運動，發(fā)生負(fù)攀移。螺型位錯沒有多余的半原子

27、面，因此不會發(fā)生攀移運動。 圖1.53 刃型位錯的攀移運動示意圖( a)未攀移的位錯；(b)空位引起的正攀移；(c)間陳原子引起的負(fù)攀移A 位錯攀移的阻力 21cbudlduFB 位錯攀移的驅(qū)動力 (1) 彈性攀移力 xxyF-b(2) 滲透力 2112121-buububuFs3、螺型位錯的交滑移 對于螺型位錯，由于所有包含位錯線的晶面都可成為其滑移而，因此，當(dāng)某一螺型位錯在原滑移面上運動受阻時，有可能從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上去繼續(xù)滑移，這一過程稱為交滑移。如果交滑移后的位錯再轉(zhuǎn)回和原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運動，則稱為雙交滑移，如圖1.56所示。 圖1.56 螺型位錯的交滑移

28、 圖1.57 面心立方晶體中的雙交滑移示意圖圖1.58 體心立方晶體中的交滑移二、運動位錯的交割 當(dāng)一位錯在某一滑移面上運動時，會與穿過滑移面的其他位錯交割。位錯交割時會發(fā)生相互作用、這對材料的強(qiáng)化、點缺陷（Point Defect)的產(chǎn)生有重要意義。 在位錯的滑移過程中，其位錯線很難同時實現(xiàn)全長的運動，因面一個運動的位錯線，特別是在受到阻礙的情況下，有可能通過其中一部分線段首先進(jìn)行滑移。若由此形成的曲折線段在位錯的滑移面上時，稱為扭折(Kink)若該曲折線段垂直于位錯的滑移面時，稱為割階。扭折和割階也可由位錯之間的交割面形成 。1.林位錯：當(dāng)一位錯在某一滑移面上運動時，會與穿過滑移面的其他位

29、錯交割，其他位錯就是稱為林位錯。2.割階與扭折：一個運動的位錯線，特別是在受到阻礙的情況下，有可能通過其中一部分線段（n個原子間距）首先進(jìn)行滑移。若由此形成的曲折線段就在位錯的滑移面上時，稱為扭折；若該曲折線段垂直于位錯的滑移面時，則稱為割階。3.在位錯的已攀移段與未攀移段之間就會產(chǎn)生一個臺階，于是也在位錯線上形成了割階。4.刃型位錯的割階部分仍為刃型位錯，而扭折部分則為螺型位錯;螺型位錯中的扭折和割階線段，由于均與伯氏矢量垂直，故均屬于刃型位錯。5.幾種典型的位錯交割a)兩個伯氏矢量互相垂直的刃型位錯交割。b)兩個伯氏矢量互相平行的刃型位錯交割。c)兩個伯氏矢量垂直的刃型位錯和螺型位錯的交割

30、。d)兩個伯氏矢量相互垂直的螺型位錯交割。圖1.59兩個柏氏矢量互相垂直的刃型位錯交割(a)交割前；(b)交割后圖1.61 刃型位錯與螺型位錯的交割(a)交割前；(b)交割后圖1.62 兩個螺型位錯的交割(a)交割前；(b)交割后6.小結(jié)a)運動位錯交割后，每根位錯線上都可能產(chǎn)生一扭折或割階，其大小和方向取決于另一位錯的伯氏矢量。b)所有的割階都是刃型位錯，而扭折可能是刃型也可能是螺型。c)扭折與原位錯線在同一滑移面上，可隨主位錯線一道運動，幾乎不產(chǎn)生阻力，而且扭折在線張力作用下易于消失。但割階則與原位錯線不在同一滑移面，故除非割階產(chǎn)生攀移，否則割階就不能隨主位錯線一道運動，成為位錯運動的障礙

31、，通常稱此為割階硬化。d)帶割階位錯的運動，按割階高度的不同，又可分為三種情況：割階高度為12個原子間距，位錯可以把割階拖著走，留下一排點缺陷；割階高度約在20nm以上，它們可以各自獨立的在各自的滑移面上滑移，并以割階為軸，在滑移面上旋轉(zhuǎn)；割階高度介于上述兩種時，會形成位錯環(huán)。e)刃型位錯運動時割階段所受到的晶格阻力較大，而螺型位錯的割階阻力則小的多。圖1.63 帶割階的螺型位錯的運動三、位錯的增殖1、弗蘭克-里德位錯源。下圖表示弗蘭克-里德位錯源的增殖機(jī)制。2、雙交滑移增值機(jī)制第三節(jié) 位錯的彈性性質(zhì) 1、彈性體：彈性連續(xù)介質(zhì)是對晶體作了簡化假設(shè)之后提出的模型，用它可以推導(dǎo)出位錯的應(yīng)力場及有關(guān)

32、彈性參量函數(shù)。這個模型對晶體作了如下假設(shè)： 1）完全服從胡克定律，即不存在塑性變形； 2) 是各向同性的； 3) 為連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。一、彈性力學(xué)基本知識2、規(guī)定的符號與正負(fù) A應(yīng)力(Stress)在實際受力的物體中，應(yīng)力難于均勻分布，各點的應(yīng)力狀態(tài)不同。如要研究某一點的應(yīng)力狀態(tài)，可以該點為中心截取一個極小的單元體，在單元體的六個面上都有內(nèi)應(yīng)力的作用，見圖1.16。圖1.16 單元體上的應(yīng)力分量正負(fù)號：正面正方向為正，負(fù)面負(fù)方向為正。 正面負(fù)方向為負(fù)，負(fù)而正方向為負(fù)。，cosxr，sinyrzz 圖1.17 直角坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)的關(guān)系 由于位錯產(chǎn)生的畸變往往具有軸對稱性，有時采用圓柱坐標(biāo)

33、系更為方便。如圖1.17所示，某一點M的直角坐標(biāo)可用圓柱坐標(biāo)表示為： B 應(yīng)變(Strain) 線段長度及直角的改變，稱為應(yīng)變。在一般情況下，受力物體中任意點的應(yīng)變狀態(tài)也需要用小單元體的應(yīng)變分量來表征。各線段每單位長度的伸縮，即單位伸縮或相對伸縮，稱為正應(yīng)變，用表示。ll原長變化的長度圖1.19 切應(yīng)變示意圖 C 位移(Displacement)物體內(nèi)任一點的位移用它在x、y、z三軸上的投影ux、uy、uz 表示。沿坐標(biāo)軸正向為正，負(fù)向為負(fù)，這三個投影稱為該點的位移分量。 D 泊松比(Poisson s Ratio)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值的負(fù)值稱為泊松比。l/ld/d縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變長度拉長(

34、d0)的同時要變細(xì)(d0時， 0；而y0。說明正刃型位錯的位錯滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，滑移面下側(cè)為張應(yīng)力。在應(yīng)力場的任意位置處，x=y時， ， 均為0，說明在直角坐標(biāo)的兩條對角線處，只有 ，而且每條對角線的兩側(cè)， （ ）及 的符號相反。xxxxxxyyyyxyxxxyyxyy圖1.26 刃型位錯各應(yīng)力分量符號與位置的關(guān)系a)模型b)圓柱坐標(biāo)，切應(yīng)變 相應(yīng)的切應(yīng)力/ 2zbr/ 2zzzGGbrc) 直角坐標(biāo)系 222yzzyGbxxy222zxxzGbyxy 0 xxyyzzxyyx三、螺型位錯的應(yīng)力場（d） 螺型位錯應(yīng)力場具有的特點:只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，表明螺型位錯不會引起晶體的膨

35、脹和收縮。螺型位錯所產(chǎn)生的切應(yīng)力分量只與r有關(guān)，而與 ,z無關(guān)。螺型位錯應(yīng)力場的特點如下: l) 只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，這表明螺型位錯不引起晶體的膨脹和收縮。2) 螺型位錯所產(chǎn)生的切應(yīng)力分量只與r有關(guān)(成反比)，而與，z無關(guān)。只要r一定， 就為常數(shù)。因此，螺型位錯的應(yīng)力場是軸對稱的，即與位錯等距離的各處，其切應(yīng)力值相等，并隨著與位錯距離的增大，應(yīng)力值減小。 ia)概念：位錯周圍點陣畸變引起彈性應(yīng)力場導(dǎo)致晶體能量的增加，這部分能量稱為位錯的應(yīng)變能，或位錯的能量。b)位錯的能量可分為兩部分：位錯中心畸變能 和位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能 。以彈性應(yīng)變能代表位錯的應(yīng)變能。c)單位長度刃型位

36、錯的應(yīng)變能d)單位長度螺型位錯的應(yīng)變能cEeE20ln41eeGbREr20ln4seGbREr四、位錯的應(yīng)變能e)混合位錯的應(yīng)變能 式中， ，稱為混合位錯的角 度因素，f)說明：螺型位錯的K=1;刃型位錯， ; 而對于混合位錯，則 。20ln4meseeeGbREEEKr211cosK1 0.75K 1K 211cosKg)綜上所述，得出如下結(jié)論：位錯的能量包括兩部分： 和 。位錯的應(yīng)變能與 成正比。 ，常用金屬材料的約為1/3，故螺型位錯的彈性應(yīng)變能約為刃型位錯的2/3。位錯的能量是以位錯線單位長度的能量來定義的，故位錯的能量還與位錯線的形狀有關(guān)。位錯的存在均會使體系的內(nèi)能升高，雖然位錯的

37、存在也會引起晶體中熵值的增加，但相對來說，熵值增加有限，可忽略不計。cEeE2b/1SeEeEE 位錯的應(yīng)變能與位錯線的長度成正比，為了降低應(yīng)變能，位錯線有力求縮短的趨勢，故在位錯線上存在一種使其變直的線張力T。線張力是一種組態(tài)力，類似于液體的表面張力，可定義為:當(dāng)位錯線的長度增加一無限小量，其能量增加與長度增量的比值就等于線張力T，即 LWT五、位錯的線張力 所以位錯的線張力在數(shù)值上等于單位長度位錯線的能量，并且與位錯線的具體形狀有關(guān)。02ln4brRkW-12cos-1-18-10-4100rR4102bT 對直線位錯，單位長度位錯的能量為: 式中，k由位錯性質(zhì)確定，對刃型位錯k= ;對螺

38、型位錯k=1;對混合型位錯k= 。由此可見，直線位錯能量的大小只與r0和R有關(guān)。當(dāng)r b( cm),R(相當(dāng)于亞晶粒長度) cm時，= ，則直線位錯的線張力為： 1、直線位錯如圖1.28所示，值設(shè)將一根位錯線彎成彼浪形，波長為，使位錯線的長度由直線時的l變?yōu)閘+l。可將彎曲后位錯的應(yīng)力場分成遠(yuǎn)程(r)和近程(r0，即兩同號平行螺型位錯相互排斥;而當(dāng)b1與b2反向時，F(xiàn)120，則 ；若x0，則 ；若x0，則 ；若xr。那么溶質(zhì)原子進(jìn)人溶劑中后，引起的體積變化 V為:RVbusin-1131RAusin3-1134brzzyyxxr334-uzzyyxxV3-Vrr-zzxxyyrr3134rrr

39、 或 式中， ，(1.48)就是位錯與溶質(zhì)原子的交互作用能。其物理意義為: 式中， ，即溶質(zhì)原子置換(Subbstitute)溶劑原子引起的體積膨脹為 要對 作功，這個功的負(fù)值就是交互作用能。 由式(1.48)可知，u與溶質(zhì)原子在刃型位錯應(yīng)力場中的位置有關(guān)。u0表示位錯排斥溶質(zhì)原子。0表示溶質(zhì)原子半徑大于溶劑原子半徑。當(dāng)0并且溶質(zhì)原子處在刃型位錯壓應(yīng)力區(qū)域，則u0，若溶質(zhì)原于處在刃型位錯拉伸應(yīng)力區(qū)域，則u 0。當(dāng)0時，位錯對溶質(zhì)原子的作用情況相反。因此，溶質(zhì)原子半徑大于溶劑原子半徑時，溶質(zhì)原子會集聚于刃型位錯下方的拉伸應(yīng)力區(qū)域。而當(dāng)溶質(zhì)原子半徑小于溶劑原子半徑時，溶質(zhì)原子會集聚于刃位錯的壓應(yīng)力

40、區(qū)。 間隙原子總是大于基體原子的間隙，所以總是引起膨脹，吸附在刃型位錯的拉應(yīng)力區(qū)，如圖1.41所示。位錯與溶質(zhì)原子的交互作用會引起溶質(zhì)原子向位錯線集聚，位錯線附近云集溶質(zhì)原子，形成了溶質(zhì)原子氣團(tuán)或溶質(zhì)原子云，稱為柯氏氣團(tuán)。溶質(zhì)原子氣團(tuán)使位錯處于更加穩(wěn)定狀態(tài)，即它有釘扎位錯的作用。圖1.41 溶質(zhì)原子和刃型位錯交互作用示意圖九、位錯的半點陣模型 前面講的是位錯連續(xù)介質(zhì)模型，不能反映位錯中心的情況，派爾斯和納巴羅提出較簡單的點陣模型來處理位錯中心問題。1940年，派爾斯假設(shè)了在簡單四方晶體中形成一個刃型位錯的數(shù)學(xué)模型,1947年經(jīng)納巴洛加以發(fā)展，計算出位錯的中心寬度，并進(jìn)一步計算出使位錯在晶體中開

41、始運動所需的切應(yīng)力。所用的這個模型稱為P-N模型。在這個模型中將滑移面視為晶體點陣結(jié)構(gòu)，面在滑移面之外仍視為連續(xù)彈性介質(zhì)，因此有位錯的半點陣模型之稱。1、P-N模型及其基本公式 圖1.42 兩塊簡單立方晶體形成的刃型位錯 bxuaxxdxdxxdu4sinb2-1-此式為P-N模型的基本公式，即P-N方程。2、位錯中心寬度 圖1.44 位錯寬度示意圖-12af ，稱為位錯的半寬度 3、位錯移動所需的臨界切應(yīng)力 當(dāng)刃型位錯正好處在對稱位置時，能使它運動的外力幾乎為零。但是當(dāng)位錯稍許離開平衡位置時，由于對稱位置被破壞，這種位移立即就會遇到點陣阻力，現(xiàn)在要計算位錯產(chǎn)生運動時所遇到的最大阻力，這個最大

42、、阻力稱為位錯移動的臨界切應(yīng)力，也稱為P-N力。計算的關(guān)鍵是求出位錯偏離出平衡位置時滑移面上下兩層原子沒對齊面引起的能量變化，即錯排能。圖1.45 刃型位錯位置示意圖圖1.46 各原子位置示意圖- 12- -4- -maxc-12-12babfeebFccbabac 式中， 稱為P-N力，它相當(dāng)于在理想晶體中克服點陣阻力移動一個位錯所需的臨界切應(yīng)力。式(1.58)說明了兩個問題: l) 根據(jù)P-N模型計算出的 與實際測出的基本相符，這是派爾斯和納巴洛的最大貢獻(xiàn)，也是第一次定量地從理論上解釋了位錯的易動性，即:晶體中有位錯時，使其強(qiáng)度大大下降的現(xiàn)象。 2) 出現(xiàn)在指數(shù)函數(shù)中， 隨增加， 降低，表

43、明滑移應(yīng)產(chǎn)生于原子密排面之間，沿原于密排方向進(jìn)行，符合實驗事實。(1.58)十、位錯的塞積群 00 滑移面上有一位錯源(Dislocation Source )，放出一系列位錯，在 作用下運動，遇到障礙時，塞積在障礙前形成位錯系列，稱為塞積群，如圖1.47所示。圖1.47 位錯塞積群示意圖 在塞積群中，每個位錯都受兩個力的作用而處于平衡狀態(tài)，一個力是外加切應(yīng)力 的作用;另一個力是其他位錯應(yīng)力場的作用。因同號位錯在同一滑移面上互相排斥，所以塞積群中位錯排列具有一定的規(guī)律性，離障礙物越遠(yuǎn)越稀疏。1、塞積群中位錯的分布DLn20000在長度為L的塞積群中的位錯數(shù)目為： 式(1.62)說明，位錯塞積群

44、中的位錯個數(shù)n正比于外加切應(yīng)力 和位錯源至障礙物間距離L。當(dāng)L一定時，晶體滑移面受 作用，位錯源不斷放出位錯，使塞積群中的位錯數(shù)目逐漸增多。當(dāng)位錯達(dá)到一定數(shù)目n時，塞積群便可以抑制位錯源繼續(xù)向外放出位錯。這時要想使位錯源繼續(xù)不斷地增殖，必須不斷地增加外加切應(yīng)力 。 (1.62)2、塞積群對障礙物的作用力 塞積群不僅對位錯源有抑制作用，面且對障礙物也有作用。若塞積群對障礙物的作用力為 ，則障礙物對塞積群的反作用力的大小與 相等，面方向與 相反。障礙物對塞積群的反作用力可以看作只作用于領(lǐng)先位錯上。 0n 領(lǐng)先位錯的前端會產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。這種強(qiáng)大的應(yīng)力集中可以使塞積群中的螺型位錯通過交滑移而越過

45、障礙物。也會使領(lǐng)先位錯前端的相鄰晶粒內(nèi)的位錯源開動。這種應(yīng)力集中大到一定程度時，甚至可以把障礙物摧毀。 第四節(jié) 實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯一、實際晶體中位錯的分類 簡單立方晶體中位錯的柏氏矢量b總是等于點陣矢量。但實際晶體中，位錯的柏氏矢量b除了等于點陣矢量外，還可能小于或大于點陣矢量。通常把柏氏矢量等于單位點陣矢量的位錯稱為“單位位錯”；把柏氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯稱為“全位錯”，全位錯滑移后晶體原子排列不變;把柏氏矢量不等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯稱為“不全位錯”。不全位錯滑移后原子排列規(guī)律發(fā)生變化。 通常把伯氏矢量等于單位點陣矢量的位錯稱為“單位位錯”；把伯氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)

46、倍的位錯稱為“全位錯”；把伯氏矢量不等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯稱為“不全位錯”；而伯氏矢量小于點陣矢量的位錯稱為“部分位錯”。在實際晶體中，位錯的伯氏矢量必須符合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。單位位錯是最穩(wěn)定的位錯。二、實際晶體中位錯的伯氏矢量100a1001102a110a221112a111a2311203a1120表1.1 典型晶體結(jié)構(gòu)中單位位錯的柏氏矢量結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型柏氏矢量柏氏矢量bb方向方向b大小大小簡單立方簡單立方a面心立方面心立方體心立方體心立方密排六方密排六方a位錯反應(yīng)：將位錯之間的互相轉(zhuǎn)化（分解或合并）稱為位錯反應(yīng)。三、位錯反應(yīng) babb22babb 位錯使晶體點陣發(fā)生畸變，柏

47、氏矢量是反映位錯周圍點陣畸變總和的參數(shù)。因此，位錯的合并實際上是晶體中同一區(qū)域兩個或多個畸變的疊加，位錯的分解是晶體內(nèi)某一區(qū)域具有一個較集中的畸變，松弛為兩個或多個畸變。 位錯反應(yīng)能否進(jìn)行，取決于是否滿足下列兩個條件：幾何條件： 。能量條件： 。 在實際晶體結(jié)構(gòu)中，密排面的正常堆垛順序有可能遭到破壞和錯排，稱為堆垛層錯。例如面心立方結(jié)構(gòu)的堆垛順序有抽出型和插入型。四、面心立方晶體中的位錯圖1.69 面心立方晶體中的堆垛層錯(a) 抽出型；(b) 插入型1、堆垛層錯圖1.68 面心立方晶體中(111 )面的正常堆垛 兩種不全位錯：肖克利不全位錯和弗蘭克不全位錯。 如圖所示即為肖克利不全位錯。根據(jù)

48、其伯氏矢量與位錯線的夾角關(guān)系，它既可以是純?nèi)行停部梢允羌兟菪突蚧旌闲汀?、不全位錯面心立方晶體中的肖克利不全位錯圖 如下圖所示弗蘭克不全位錯。與抽出型層錯聯(lián)系的不全位錯通常稱為負(fù)弗蘭克不全位錯，而與插入型聯(lián)系的則稱為正弗蘭克不全位錯。弗蘭克不全位錯又稱為不滑動位錯或固定位錯。注，不全位錯的伯氏回路的起始點必須從層錯出發(fā)。總結(jié)不全位錯的柏氏矢量的特點如下：1) 不全位錯的四周不完全是完整的結(jié)構(gòu)，有一部分有層錯；2) 不全位錯的柏氏回路必須從層錯開始，回路最后還要穿過層錯；3) 不全位錯的柏氏矢量不是完整的最短點陣矢量；4) 不全位錯的矢量也有守恒性。3、湯普森四面體：1） 如下圖所示，A，B，

49、C，D依次為面心立方晶胞中3個相鄰?fù)獗砻娴拿嫘暮妥鴺?biāo)原點。 分別代表與 A，B，C，D點相對面的中心。, , 湯普森四面體圖2）由圖可見：a)四面體的4個面即為4個可能滑移面： 面。 b)四面體的6個棱邊代表12個晶向，即為面心立方晶體中全位錯12個可能的伯氏矢量。c)每個面的頂點與其中心的連線代表24個 型的滑移矢量，它們相當(dāng)于面心立方晶體中可能的24個肖克利不全位錯的伯氏矢量。(111),(111),(111),(111)11126d)4個頂點到它所對的三角形中點的連線代表 8個 型的滑移矢量，它們相當(dāng)于面心立方晶體中可能有的8個弗蘭克不全位錯的伯氏矢量。e)4個面中心相連即 為 是壓桿位

50、錯的一種。 11113, 111064、擴(kuò)展位錯：1）擴(kuò)展位錯的定義：通常把一個全位錯分解為兩個不全位錯，中間夾著一個堆垛層錯的整個位錯組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯。2）擴(kuò)展位錯的寬度 兩個平行不全位錯之間的斥力 式中r為不全位錯的間距。當(dāng)層錯的表面張力與不全位錯的斥力達(dá)到平衡時，兩不全位錯的間距r即為擴(kuò)展位錯的寬度d即122Gb bfr122Gb bfd122Gb bd 由此可見擴(kuò)展位錯的寬度與晶體的單位面積層錯能 成反比，與切邊模量G成正比。3）擴(kuò)展位錯的束集：擴(kuò)展位錯的局部區(qū)域受到某種障礙時，擴(kuò)展位錯在外切應(yīng)力的作用下其寬度將會縮小，甚至重新收縮成原來的全位錯，稱為束集。4）擴(kuò)展位錯的交滑移擴(kuò)展位錯

51、的交滑移要比全位錯的交滑移難的多。首先束集成全螺位錯。該全位錯交滑移到另一個滑移面上在新的滑移面上重新分解為擴(kuò)展位錯，繼續(xù)進(jìn)行滑移。圖1.81 擴(kuò)展位錯的交滑移過程5、面角位錯 在面心立方晶體中兩個滑移面上各有一個單位位錯，它們滑移相遇后發(fā)生位錯反應(yīng)，形成一個不動的位錯群。這個位錯群在晶體中成為位錯運動的障礙，它對金屬的加工硬化及斷裂有著重耍的影響。圖1.82 面角位錯的形成過程五、體心立方晶體中的位錯 在體心立方晶體中以密排方向為滑移方向，全位錯的柏氏矢量為 ，相應(yīng)的滑移面有110、112、123。由于這三種滑移面均含有相同的方向，使螺型位錯易于交滑移。在低溫變形的體心立方結(jié)構(gòu)金屬中，所觀察

52、到的位錯多為長面直的螺型位錯。這說明，同刃型位錯相比，螺型位錯的可動性較差，是控制體心立方結(jié)構(gòu)金屬滑移特性的主要位錯組態(tài)。211、全位錯的合成反應(yīng) 001a1112a1112a- 在體心立方晶體中常見的全位錯除了 位錯外，還有柏氏矢量為a的位錯，有時可在位錯網(wǎng)絡(luò)中觀察到a型全位錯可由兩個 型全位錯經(jīng)合成反應(yīng)而獲得，即：圖1.83 001全位錯的形成與解理裂紋成核2a212、層錯 兩種滑移型層錯：AB AB AB1 AB1 AB1或AB AB AB2 ABAB2 三種方式在體心立方晶體中形成層錯：A 滑移方式 圖1.86 原子在(110)面上的投影(O代表位于紙面上的原于；代表位于紙面下的原子)

53、B 抽出方式 若在體心立方晶體的正常堆垛周期中，抽出一對原子層(如C層和D層)，可形成如下I2型內(nèi)稟層錯： I2=FEDCBAFE+ +BAFEDCBA -131-1C 插入方式 若在體心立方晶體中的正常堆垛周期中，在某一B面處將晶體切開后，使其上各層原子向上沿1 2方向移動 1 2距離，再在該空隙中插人一對原子層(如E層和F層)，則可形成E型外延層錯： E=CDEFABE+ +FCDEFABC (1.73)3、不全位錯 816131EB在體心立方晶體中可能形成的不全位錯主要有：1)在110面上形成一部分層錯時，其邊界為不全位錯 ；2) 在112面上形成一部分層錯時，其邊界為不全位錯 或 。另

54、外，在體心立方晶體中，也可能在I1型層錯的基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成I3型層錯，與其相對應(yīng)的112面的堆垛次序如下： I3=FEDCBAF FA AFEDCBA (1.74)4、擴(kuò)展位錯 11121圖1.88 柏氏矢量為 的螺型位錯在110面上分解 A在111面上的擴(kuò)展位錯 B 在112面上的擴(kuò)展位錯 11121圖1.89 螺型位錯在112面上分解機(jī)制示意圖(a)可滑移分解；(b)不可滑移分解，無中心位錯；(c)不可滑移分解，有中心位錯六、密排六方晶體中的位錯1、層錯 在密排六方晶體中，層錯也有內(nèi)稟型和外延型之分，可分別由以下三種方式形成： A 抽出一層原子后，上下兩部分晶體適當(dāng)平移 B 簡單滑移 C

55、插入一層原子2、不全位錯 A 密排六方晶體中的矢量記號（1）柏格森記號 （2）戴曼諾記號 B 肖克萊不全位錯C 弗蘭克不全位錯 D 其他不全位錯 3、位錯的擴(kuò)展 CB-2圖1.97 全位錯 在(11 2)面上分解形成一個區(qū)域位錯和三個不全位錯 在有利于棱柱滑移的密排六方結(jié)構(gòu)金屬中，基面滑移雖可進(jìn)行，但全位錯不易發(fā)生式(1.81)所示的分解擴(kuò)展。這可能因為在密排六方結(jié)構(gòu)金屬中，晶面間距與c/a值有關(guān)。在c/a 1.633的情況下，基面間距變小，使相鄰原子層間的鍵合增強(qiáng)，從而難以改變堆垛次序而形成穩(wěn)定層錯。第五節(jié) 位錯的來源及實驗基礎(chǔ)一、位錯概念的產(chǎn)生 晶體的塑性變形是提高金屬材料的性能和制造金屬

56、制品的重要手段。當(dāng)一塊單晶體發(fā)生塑性變形時，在它的表面出現(xiàn)一些線狀痕跡，經(jīng)放大觀察，發(fā)現(xiàn)它們是晶體相鄰部分彼此相對滑動在表面上造成的小臺階，這些痕跡被稱為滑移線。進(jìn)一步分析和測量表明，晶體滑移總是沿著一定的密排晶面和密排方向進(jìn)行的，而且，只有當(dāng)沿著某一滑移系統(tǒng)(即一個滑移面和其上的一個滑移方向)的切應(yīng)力達(dá)到一定的臨界值時，滑移才開始進(jìn)行，這個必要的應(yīng)力被稱為臨界分切應(yīng)力。圖1.98 計算理論切變強(qiáng)度的模型1934年第一次有人提出，在未變形的晶體中本來就包含有這種形式的晶格缺陷，稱為位錯。圖1.99 位錯的原子組態(tài)二、位錯的來源 圖1.100 空位片轉(zhuǎn)化成位借環(huán)圖1.102 相對傾轉(zhuǎn)兩晶體相遇時

57、形成的位錯圖1.103 夾雜物周圍位錯環(huán)的形成三、位錯的實驗基礎(chǔ) 位錯是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的.晶格缺陷，因為它在一個方向上尺寸較大，所以被稱為線狀缺焰，它對晶體的生長、相變(Phase Transformation)、擴(kuò)散、塑性變形、斷裂(Fracture)以及其他許多物理、化學(xué)性質(zhì)都具有重要影響，而且對它的認(rèn)識是建立在深厚的科學(xué)實驗基礎(chǔ)之上的。 從20世紀(jì)50年代開始實驗觀測位錯以來，目前已有多種實驗技術(shù)用于位錯的觀察，包括光學(xué)、電子和場離子顯微鏡以及X射線技術(shù)等廣泛用于分析研究位錯的密度、分布和組態(tài)以及它們的運動和交互作用等。位錯實驗觀測技術(shù)主要有以下幾種。浸蝕法 圖1.104 位錯在晶體表

58、面露頭處形成蝕坑 (a)刃型位錯，圓柱狀區(qū)城的物理和化學(xué)性質(zhì)與別處不同； (b)由于刃型位錯周圍較多地受到浸蝕而形成錐狀坑； (c)螺型位錯露頭處； (d)由于浸蝕沿著螺旋方向優(yōu)先進(jìn)行而形成螺旋形蝕坑綴飾法 利用雜質(zhì)原子與位錯之間存在相互作用，雜質(zhì)原子沿位錯線擴(kuò)散快和在位錯線上容易產(chǎn)生沉淀這些性質(zhì)，經(jīng)過適當(dāng)熱處理（Heat Treatment）可以使雜質(zhì)沿位錯線析出。通過析出物質(zhì)點的“綴飾”，使帳位錯成為“可見”的方法稱為綴飾法。 圖1.107 溴化銀晶體上的位錯被銀綴飾透射電子顯微分析 A 直接觀察法 1956年門特(Menter)應(yīng)用透射電鏡觀察到面間距約為1.2nm晶面上的位錯，以后隨電

59、鏡分辨率的提高，觀察到鍺晶體(111)晶面的位錯，(111)面間距為0.327nm，見圖1.109所示。圖1.110是用透射電子顯微鏡觀察到的鑄鐵薄膜中蠕蟲狀石墨(Graphite)中的位惜。 B 水紋圖像法 為了能在分辨率不足的情況下看到晶體中的位錯，可設(shè)法把晶體原子面間的間距放大，起到提高分辨率的作用。如兩組面間距分別為d1和d2的平行線，如以一定的角度疊加，可得到比原來平行線的周期大得多的平行黑點，且有同樣的晶體結(jié)構(gòu)，但點陣常數(shù)不同。兩個金屬薄膜疊加也產(chǎn)生同樣的結(jié)果，這種疊加后的圖像稱為水紋圖。 C 衍射襯度法 電子束射入晶體內(nèi)部產(chǎn)生布拉格衍射，如果晶體中沒有缺陷，則電子束透過后的像是均

60、勻的，如果晶體中有缺陷(如位錯)存在，則由于位錯附近有局部畸變區(qū)城，電子束在這些區(qū)城的衍射強(qiáng)度和其他部分不同，再利用光闌的作用。就可以顯示出位錯的形象，這就是衍射襯度成像。 圖1.113 衍射成像原理示意圖射線衍射分析 圖1.115 X射線形貌照像原理示意圖 利用X射線直接觀察位錯的方法，在原理上與電于衍射法類似，位錯被顯示出來是因為位錯附近晶面彎曲，使得一次消光效應(yīng)局部減弱，從而產(chǎn)生給出位錯圖像的襯度。 場離子顯微分析 圖1.117 場離子發(fā)射顯微鏡原理示意圖 場離子顯微鏡的分辨率可以達(dá)0.20.3nm，其原理如圖1.117所示。試樣是一根很細(xì)的金屬絲，其電解成半徑約100300個原子間距的