第五章 線缺陷

1、第五章第五章 線、面和體缺陷線、面和體缺陷線缺陷線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò)第一節(jié)形變單晶的切變強(qiáng)度第一節(jié)形變單晶的切變強(qiáng)度發(fā)生在高密度面和密排方向上需要的切應(yīng)力發(fā)生在高密度面和密排方向上需要的切應(yīng)力要達(dá)到臨界值要達(dá)到臨界值 分切應(yīng)力的大小為： 圖 理想晶體的滑移模型和刃型位錯(cuò)的滑移過(guò)程圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)u2.位錯(cuò)的基本類型位錯(cuò)的基本類型u位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)可分為刃性位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。u刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：u1)1)刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。其實(shí)正、負(fù)之分只具相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。相對(duì)意義而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。u2)2)刃型位錯(cuò)線

2、可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。方向相垂直，也垂直于滑移矢量。圖 不同形狀的刃型位錯(cuò)u3)3)滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)?；ハ啻怪保虼?，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。4)晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位

3、錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力：負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力：負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。5)在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均在位錯(cuò)線周圍的過(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。以刃型位錯(cuò)是線缺陷。（a）立體圖； （b）頂視圖圖 螺型位錯(cuò)的原子組態(tài)

4、u（2 2）螺型位錯(cuò)）螺型位錯(cuò)圖 螺型位錯(cuò)原子模型及其形成示意u螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征螺型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征 u無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排程軸對(duì)稱，分右旋和左旋螺無(wú)額外的半原子面，原子錯(cuò)排程軸對(duì)稱，分右旋和左旋螺型位錯(cuò)；型位錯(cuò)；u一定是直線，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑一定是直線，與滑移矢量平行，位錯(cuò)線移動(dòng)方向與晶體滑移方向垂直；移方向垂直；u滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它滑移面不是唯一的，包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面；的滑移面；u位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的

5、膨脹和收縮；應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；u位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線位錯(cuò)。位錯(cuò)畸變區(qū)也是幾個(gè)原子間距寬度，同樣是線位錯(cuò)。u3.柏氏矢量柏氏矢量u（1 1）柏氏矢量的確定方法）柏氏矢量的確定方法u先確定位錯(cuò)線的方向先確定位錯(cuò)線的方向( (一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，由紙一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，由紙面向外為正向面向外為正向) )，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位，按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯(cuò)線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。錯(cuò)線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。u從實(shí)際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)從實(shí)際晶體中任一原子出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)

6、重畸變區(qū)作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完作一閉合回路，回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終整晶體中做同樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量點(diǎn)和起點(diǎn)不重合，由終點(diǎn)到起點(diǎn)引一矢量即為柏氏矢量b b。圖 刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定u（2 2）柏氏矢量的物理意義及特征）柏氏矢量的物理意義及特征u物理意義：物理意義：u代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）；表示晶體滑移的方向和大小。移的方向和大小。 u反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)

7、陣畸變的總積累。反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。u通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，該矢量的模|b|b|表示了畸表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度。u位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動(dòng)的大小和方向。和方向。u柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征u用柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類型。用柏氏矢量可判斷位錯(cuò)的類型。u用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)用柏氏矢量可以表示

8、晶體滑移的方向和大小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量致晶體滑移時(shí)，滑移量大小即柏氏矢量b b，滑移方向即為柏，滑移方向即為柏氏矢量的方向。氏矢量的方向。 u一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。若位錯(cuò)可分解，則分解若位錯(cuò)可分解，則分解后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。后各分位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于原位錯(cuò)的柏氏矢量。u位錯(cuò)具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形位錯(cuò)具有連續(xù)性，不能中斷于晶體內(nèi)部。其存在形態(tài)可形成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或終止在晶界，成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)，或連接于其他位錯(cuò)，或終止在晶界，或露頭于晶體表面?；蚵额^于晶體表

9、面。圖 三種類型位錯(cuò)的矢量圖解法 u（3 3）混合位錯(cuò)）混合位錯(cuò)u晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）既不平晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯(cuò)線）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量與位錯(cuò)線成任意角度，這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)這種晶體缺陷稱為混合型位錯(cuò)。u混合型位錯(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量。混合型位錯(cuò)可分解為刃型位錯(cuò)分量和螺型位錯(cuò)分量。圖 晶體局部滑移形成混合位錯(cuò)圖 混合位錯(cuò)的原子組態(tài)u（4 4）柏氏矢量的表示方法）柏氏矢量的表示方法u柏矢量對(duì)于柏矢量柏矢量對(duì)于柏矢量b b沿晶向沿晶向uvw的位錯(cuò)的位錯(cuò)u柏矢量的模

10、柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第柏矢量的模柏矢量的模的計(jì)算就是矢量模的計(jì)算，同第一章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系：一章中介紹的晶向長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)于立方晶系：u位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。位錯(cuò)的加法按照矢量加法規(guī)則進(jìn)行。 v4.4.位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度v晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度晶體中所含位錯(cuò)的多少可用位錯(cuò)密度來(lái)表示。位錯(cuò)密度定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為定義為單位體積晶體中所含位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為v若為了簡(jiǎn)便起見，可把晶體中的位錯(cuò)線視為一些直線，若為了簡(jiǎn)便起見，可把晶體中的位錯(cuò)線視為一些直線，而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位

11、錯(cuò)密度而且是平行地從晶體的一端延伸到另一端，于是位錯(cuò)密度就可被視為垂直于位錯(cuò)線的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線數(shù)就可被視為垂直于位錯(cuò)線的單位截面中所穿過(guò)的位錯(cuò)線數(shù)目，即目，即)/(3cmcmVS)/1 (2cmAnAlln圖 晶體位錯(cuò)密度和強(qiáng)度關(guān)系示意圖u1.1.位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移u位錯(cuò)沿滑移面的移動(dòng)稱為滑移。位錯(cuò)沿滑移面的移動(dòng)稱為滑移。圖 位錯(cuò)的滑移2.1.1 線缺陷的類型及形成線缺陷的類型及形成（a）正刃型位錯(cuò) （b）負(fù)刃型位錯(cuò) 圖 刃位錯(cuò)的滑移 u當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體，就會(huì)在晶體表面當(dāng)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量b

12、 b的臺(tái)階，造成晶體的塑性變形。的臺(tái)階，造成晶體的塑性變形。u在滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的移動(dòng)方向一定是與位錯(cuò)線相垂直，在滑移時(shí)，刃型位錯(cuò)的移動(dòng)方向一定是與位錯(cuò)線相垂直，即與其柏氏矢量相一致。即與其柏氏矢量相一致。u位錯(cuò)線沿著滑移面移動(dòng)時(shí)，它所掃過(guò)的區(qū)域是已滑移區(qū)，位錯(cuò)線沿著滑移面移動(dòng)時(shí)，它所掃過(guò)的區(qū)域是已滑移區(qū)，而位錯(cuò)線未掃過(guò)的區(qū)域?yàn)槭净茀^(qū)。而位錯(cuò)線未掃過(guò)的區(qū)域?yàn)槭净茀^(qū)。圖 刃型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程（a）原始位置； （b）位錯(cuò)向左移動(dòng)一個(gè)原子間距圖 螺型位錯(cuò)滑移 圖 螺型位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過(guò)程u在切應(yīng)力作用下，螺型位錯(cuò)的移動(dòng)方向是與其柏氏矢量相在切應(yīng)力作用下，螺型位錯(cuò)的移動(dòng)方向

13、是與其柏氏矢量相垂直。對(duì)于螺型位錯(cuò)，由于位錯(cuò)線與柏氏矢量平行，所以它垂直。對(duì)于螺型位錯(cuò)，由于位錯(cuò)線與柏氏矢量平行，所以它不象刃型位錯(cuò)那樣具有確定的滑移面，而可在通過(guò)位錯(cuò)線的不象刃型位錯(cuò)那樣具有確定的滑移面，而可在通過(guò)位錯(cuò)線的任何原子平面上滑移。如果螺型位錯(cuò)在某一滑移面滑移后轉(zhuǎn)任何原子平面上滑移。如果螺型位錯(cuò)在某一滑移面滑移后轉(zhuǎn)到另一通過(guò)位錯(cuò)線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。到另一通過(guò)位錯(cuò)線的臨近滑移面上滑移的現(xiàn)象稱為交滑移。圖 螺位錯(cuò)的交滑移圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)u由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難由于混合位錯(cuò)可以分解為刃型和螺型兩部分，因此，不難理解，混合位錯(cuò)在切應(yīng)力作用

14、下，也是沿其各線段的法線方理解，混合位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下，也是沿其各線段的法線方向滑移，并同樣可使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。向滑移，并同樣可使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。（a）位錯(cuò)環(huán) （b）位錯(cuò)環(huán)運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的滑移圖 位錯(cuò)環(huán)的滑移u2.2.位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移u刃型位錯(cuò)除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移刃型位錯(cuò)除了可以在滑移面上滑移外，還可垂直于滑移面發(fā)生攀移。面發(fā)生攀移。u當(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下當(dāng)半原子面下端的原子跳離，即空位遷移到半原子面下端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上移動(dòng)，這種移動(dòng)端時(shí)，半原子面將縮短，表現(xiàn)為位錯(cuò)向上移動(dòng)，這種移動(dòng)叫做正攀移

15、。反之叫做負(fù)攀移。叫做正攀移。反之叫做負(fù)攀移。u位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨著物質(zhì)的遷移，需要擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕室菩枰訑U(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對(duì)為攀移需要原子擴(kuò)散，所以較之滑移所需的能量更大。對(duì)于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動(dòng)在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)于大多數(shù)金屬，這種運(yùn)動(dòng)在室溫下很難進(jìn)行。因此，位錯(cuò)攀移時(shí)需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。攀移時(shí)需要熱激活，也就是比滑移需要更大的能量。u通常稱攀移為通常稱攀移為“非守恒運(yùn)動(dòng)非守恒運(yùn)動(dòng)”，滑移則稱為，滑移則稱為“守恒運(yùn)守恒運(yùn)動(dòng)動(dòng)”。圖 位錯(cuò)的攀移u3.3.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的交割u對(duì)于在滑移面上

16、運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)此滑移面的其它位對(duì)于在滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，穿過(guò)此滑移面的其它位錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，但是若應(yīng)力足夠錯(cuò)稱為林位錯(cuò)。林位錯(cuò)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，但是若應(yīng)力足夠大，滑動(dòng)的位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過(guò)大，滑動(dòng)的位錯(cuò)將切過(guò)林位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)。位錯(cuò)互相切割的過(guò)程稱為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。程稱為位錯(cuò)交割或位錯(cuò)交截。u一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一一般情況下，兩個(gè)位錯(cuò)交割時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)上都要新產(chǎn)生一小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的小段位錯(cuò)，它們的柏氏矢量與攜帶它們的位錯(cuò)相同，它們的大小與方向決定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。大小與方向決

17、定于另一位錯(cuò)的柏氏矢量。u當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成當(dāng)交割產(chǎn)生的小段位錯(cuò)不在所屬位錯(cuò)的滑移面上時(shí)，則成為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相為位錯(cuò)割階，如果小段位錯(cuò)位于所屬位錯(cuò)的滑移面上，則相當(dāng)于位錯(cuò)扭折。當(dāng)于位錯(cuò)扭折。u(1) 兩個(gè)柏氏矢量互相平行的刃型位錯(cuò)交割兩個(gè)柏氏矢量互相平行的刃型位錯(cuò)交割圖 兩個(gè)柏氏矢量互相平行刃型位錯(cuò)交割位錯(cuò)扭折螺型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折螺型位錯(cuò)u(2) 兩個(gè)柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交割兩個(gè)柏氏矢量互相垂直的刃型位錯(cuò)交割圖 兩個(gè)柏氏矢量互相垂直刃型位錯(cuò)交割位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)兩根互相垂直的刃型位錯(cuò)的交割（柏氏矢量互相平行）兩根互相垂直的刃型

18、位錯(cuò)的交割（柏氏矢量互相垂直）u(3) 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折刃型位錯(cuò)u(4) 螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割圖 螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割位錯(cuò)割階刃型位錯(cuò)位錯(cuò)扭折刃型位錯(cuò)圖 刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割思考題思考題v怎樣判斷位錯(cuò)線的移動(dòng)方向？怎樣判斷位錯(cuò)線的移動(dòng)方向？拇指拇指順著柏氏矢量方向順著柏氏矢量方向移動(dòng)的部分晶體移動(dòng)的部分晶體食指食指位錯(cuò)線的方向位錯(cuò)線的方向中指中指位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向u實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)的柏氏矢量不能是任意的，它要符實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)的柏氏矢量不能是任意的，它要符合

19、晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。合晶體的結(jié)構(gòu)條件和能量條件。u晶體結(jié)構(gòu)條件是指柏氏矢量必須連接一個(gè)原子平衡位置到晶體結(jié)構(gòu)條件是指柏氏矢量必須連接一個(gè)原子平衡位置到另一平衡位置。另一平衡位置。u在某一種晶體結(jié)構(gòu)中，力學(xué)平衡位置很多，故柏氏矢量可在某一種晶體結(jié)構(gòu)中，力學(xué)平衡位置很多，故柏氏矢量可取很多；但從能量條件看，由于位錯(cuò)能量正比于取很多；但從能量條件看，由于位錯(cuò)能量正比于b b2 2，柏氏矢，柏氏矢量量b b越小越好。越小越好。 u正因?yàn)檎驗(yàn)閎 b既要符合結(jié)構(gòu)條件又要符合能量條件，因而實(shí)際既要符合結(jié)構(gòu)條件又要符合能量條件，因而實(shí)際晶體中存在的位錯(cuò)的柏氏矢量限于少數(shù)最短的點(diǎn)陣矢量。晶體中存在的位錯(cuò)

20、的柏氏矢量限于少數(shù)最短的點(diǎn)陣矢量。 2.2.4 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)實(shí)際晶體中的位錯(cuò)3密排六方4體心立方6面心立方3簡(jiǎn)單立方數(shù)量|b|方向柏氏矢量結(jié)構(gòu)類型u1.1.實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯(cuò)實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯(cuò)u2.2.不全位錯(cuò)不全位錯(cuò)u柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò)稱為柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò)稱為“全位全位錯(cuò)錯(cuò)” ” ，其中柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為，其中柏氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為“單位單位位錯(cuò)位錯(cuò)”，故全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變。，故全位錯(cuò)滑移后晶體原子排列不變。u把柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò)稱為把柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò)稱為“不全位不全

21、位錯(cuò)錯(cuò)” ” ，其中柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為，其中柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為“部分位部分位錯(cuò)錯(cuò)”。u不全位錯(cuò)一般表現(xiàn)為晶體原子堆垛層錯(cuò)區(qū)與無(wú)層錯(cuò)區(qū)的邊不全位錯(cuò)一般表現(xiàn)為晶體原子堆垛層錯(cuò)區(qū)與無(wú)層錯(cuò)區(qū)的邊界線，其滑移后原子排列發(fā)生變化。界線，其滑移后原子排列發(fā)生變化。圖 fcc中全位錯(cuò)滑移時(shí)原子的滑動(dòng)路徑v如果上面動(dòng)畫中的如果上面動(dòng)畫中的B B層原子有一部分只滑移了第一步，層原子有一部分只滑移了第一步， 這這樣在滑移了一次的區(qū)域和未滑移區(qū)域的邊界樣在滑移了一次的區(qū)域和未滑移區(qū)域的邊界M M處就形成了一處就形成了一個(gè)柏氏矢量小于滑移方向上原子間距的分位錯(cuò)，稱其為肖克個(gè)柏氏矢量小于滑移方向上

22、原子間距的分位錯(cuò)，稱其為肖克萊不全位錯(cuò)。萊不全位錯(cuò)。v根據(jù)其柏氏矢量與位錯(cuò)線的角度關(guān)系可以是純?nèi)行?，純螺根?jù)其柏氏矢量與位錯(cuò)線的角度關(guān)系可以是純?nèi)行?，純螺型或混合型的。型或混合型的。圖 肖克萊不全位錯(cuò)圖 刃型肖克萊不全位錯(cuò)在（110）面上的投影 （a） （b）圖 肖克萊部分位錯(cuò)及其的柏氏矢量 u肖克萊不全位錯(cuò)有以下的特點(diǎn)：肖克萊不全位錯(cuò)有以下的特點(diǎn)：u(1)(1)位于孿生面上，柏氏矢量沿孿生方向，且小于孿生方位于孿生面上，柏氏矢量沿孿生方向，且小于孿生方向上的原子間距。向上的原子間距。 u(2)(2)不僅是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，而且是有層錯(cuò)區(qū)不僅是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界，而且是有層錯(cuò)區(qū)和

23、無(wú)層錯(cuò)區(qū)的邊界。和無(wú)層錯(cuò)區(qū)的邊界。u(3)(3)可以是刃型、螺型或混合型?？梢允侨行?、螺型或混合型。u(4)(4)即使是刃型肖克萊不全位錯(cuò)也只能滑移，不能攀移，即使是刃型肖克萊不全位錯(cuò)也只能滑移，不能攀移，因?yàn)榛泼嫔喜吭拥臄U(kuò)散不會(huì)導(dǎo)致層錯(cuò)消失。因?yàn)榛泼嫔喜吭拥臄U(kuò)散不會(huì)導(dǎo)致層錯(cuò)消失。u(6)(6)即使是螺型肖克萊不全位錯(cuò)也不能交滑移，因?yàn)槁菪图词故锹菪托た巳R不全位錯(cuò)也不能交滑移，因?yàn)槁菪托た巳R不全位錯(cuò)是沿肖克萊不全位錯(cuò)是沿112112方向，而不是沿兩個(gè)方向，而不是沿兩個(gè)111111面的面的交線交線110110方向，故它不可能交滑移。方向，故它不可能交滑移。（a）面心立方結(jié)構(gòu)（b）面心立方

24、晶胞（c）密排六方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)、密排六方結(jié)構(gòu)密排面原子堆垛示意圖（a）面心立方結(jié)構(gòu)； （b）密排六方結(jié)構(gòu)圖 密排面的堆垛順序 a）抽出型； （b）插入型圖 面心立方結(jié)構(gòu)的堆垛層錯(cuò) 圖 正弗蘭克不全位錯(cuò)的形成 圖 正弗蘭克不全位錯(cuò)的形成u弗蘭克不全位錯(cuò)有以下的特點(diǎn)弗蘭克不全位錯(cuò)有以下的特點(diǎn)u(1)位于位于111面上，可以是任何形狀，包括直線、曲線和面上，可以是任何形狀，包括直線、曲線和封閉環(huán)（稱為弗蘭克位錯(cuò)環(huán)）。但無(wú)論是什么形狀，它總是封閉環(huán)（稱為弗蘭克位錯(cuò)環(huán)）。但無(wú)論是什么形狀，它總是刃型的，因?yàn)槿行偷模驗(yàn)閎和和111面垂直。面垂直。u(2)由于由于b不是不是fcc晶體的滑移方向，故弗蘭

25、克不全位錯(cuò)不能晶體的滑移方向，故弗蘭克不全位錯(cuò)不能滑移、只能攀移。這種不可能滑移的位錯(cuò)便稱為固定位錯(cuò)，滑移、只能攀移。這種不可能滑移的位錯(cuò)便稱為固定位錯(cuò)，而肖克萊不全位錯(cuò)則是可滑位錯(cuò)。而肖克萊不全位錯(cuò)則是可滑位錯(cuò)。u3.3.位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)反應(yīng)u位錯(cuò)之間相互轉(zhuǎn)換位錯(cuò)之間相互轉(zhuǎn)換( (即柏氏矢量的合成與分解即柏氏矢量的合成與分解) )稱為位錯(cuò)稱為位錯(cuò)反應(yīng)。反應(yīng)。u位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個(gè)條件：位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個(gè)條件：u（1 1）必須滿足幾何條件即柏氏矢量的守恒性；）必須滿足幾何條件即柏氏矢量的守恒性；u（2 2）必須滿足能量條件，反應(yīng)后諸位錯(cuò)的總能量小于反）必須滿足能量條件，反應(yīng)后諸位錯(cuò)的

26、總能量小于反應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量。應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量。后前bb22后前bb思考題思考題u判定下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行？若能進(jìn)行，試在晶胞上作出判定下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行？若能進(jìn)行，試在晶胞上作出矢量圖。矢量圖。111211161123) 3(211611261102)2(00111121112) 1 (aaaaaaaaa圖 fcc晶體中擴(kuò)展位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)u4.4.擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò)v擴(kuò)展位錯(cuò)：擴(kuò)展位錯(cuò)：v在面心立方晶體中，能量最低的全位錯(cuò)是處在在面心立方晶體中，能量最低的全位錯(cuò)是處在111111面上的面上的柏氏矢量為柏氏矢量為 的單位位錯(cuò)。的單位位錯(cuò)。v它可以分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)：它可以分解為兩個(gè)肖克萊

27、不全位錯(cuò)：v由于這兩個(gè)不全位錯(cuò)位于同一滑移面上，彼此同號(hào)且其柏由于這兩個(gè)不全位錯(cuò)位于同一滑移面上，彼此同號(hào)且其柏氏矢量的夾角氏矢量的夾角為為6060o o9090o o，故它們必然相互排斥并分開，其，故它們必然相互排斥并分開，其間夾著一片堆垛層錯(cuò)區(qū)，直到層錯(cuò)的表面張力間夾著一片堆垛層錯(cuò)區(qū)，直到層錯(cuò)的表面張力( (等于層錯(cuò)能等于層錯(cuò)能) )和不全位錯(cuò)的斥力相平衡時(shí)，不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)才停止，形成和不全位錯(cuò)的斥力相平衡時(shí)，不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)才停止，形成穩(wěn)定的位錯(cuò)組態(tài)。這種兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一片層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)穩(wěn)定的位錯(cuò)組態(tài)。這種兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一片層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。u5.5.位錯(cuò)的

28、增殖位錯(cuò)的增殖圖 FR源動(dòng)作過(guò)程v弗蘭克弗蘭克- -瑞德瑞德(Frank-Read)(Frank-Read)位錯(cuò)源位錯(cuò)源v刃型位錯(cuò)的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。若沿柏氏矢量刃型位錯(cuò)的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。若沿柏氏矢量b b方向施加一切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)。方向施加一切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)。v作用于位錯(cuò)線上的力作用于位錯(cuò)線上的力, ,總是與位錯(cuò)線本身垂直，所以彎曲總是與位錯(cuò)線本身垂直，所以彎曲后的位錯(cuò)每一小段繼續(xù)沿它的法線方向向外擴(kuò)展，其兩端則后的位錯(cuò)每一小段繼續(xù)沿它的法線方向向外擴(kuò)展，其兩端則分別繞節(jié)點(diǎn)分別繞節(jié)點(diǎn)A A，B B發(fā)生回轉(zhuǎn)。發(fā)生回轉(zhuǎn)。v當(dāng)兩端彎出來(lái)的線

29、段相互靠近時(shí)，由于該兩線段平行于柏當(dāng)兩端彎出來(lái)的線段相互靠近時(shí)，由于該兩線段平行于柏氏矢量氏矢量b b，但位錯(cuò)線方向卻相反，分別屬于左螺和右螺位錯(cuò)，但位錯(cuò)線方向卻相反，分別屬于左螺和右螺位錯(cuò)，因此會(huì)互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)以及位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一，因此會(huì)互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)以及位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位錯(cuò)線。小段彎曲位錯(cuò)線。第三節(jié)第三節(jié) 面缺陷面缺陷v面缺陷的定義面缺陷的定義v面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)方向上尺寸很小面缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很大，在一個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。的缺陷。 v面缺陷的類型面缺陷的類型v金屬中常見的面缺陷有表面、晶界、亞晶界和相界。金屬中常見的面缺陷有表面、晶

30、界、亞晶界和相界。v 從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因從原子結(jié)合的角度看，表面原子的結(jié)合鍵數(shù)也減少，因此表面原子有強(qiáng)烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。此表面原子有強(qiáng)烈的傾向與環(huán)境中的原子或分子相互作用。v晶體表層原子在不均勻力場(chǎng)作用下會(huì)偏離其平衡位置而移晶體表層原子在不均勻力場(chǎng)作用下會(huì)偏離其平衡位置而移向晶體內(nèi)部，但是正、負(fù)離子向晶體內(nèi)部，但是正、負(fù)離子( (或正、負(fù)電荷或正、負(fù)電荷) )偏離的程度不偏離的程度不同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)生了雙電層。同，結(jié)果在晶體表面產(chǎn)生了雙電層。圖 離子晶體表面的雙電層2.3.1 外表面外表面u晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)

31、晶體內(nèi)部的原子處于其他原子的包圍中，處于均勻的力場(chǎng)中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同中，總合力為零，處于能量最低的狀態(tài)。而表面原子卻不同，它與氣相，它與氣相( (或液相或液相) )接觸，處于不均勻的力場(chǎng)之中，其能量接觸，處于不均勻的力場(chǎng)之中，其能量較高，高出的能量稱為表面自由能。較高，高出的能量稱為表面自由能。u晶體中不同晶面的表面能數(shù)值不同，這是由于表面能的本晶體中不同晶面的表面能數(shù)值不同，這是由于表面能的本質(zhì)是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，質(zhì)是表面原子的不飽和鍵，而不同晶面上的原子密度不同，密排面的原子密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子密排面的原子

32、密度最大，則該面上任一原子與相鄰晶面原子的作用鍵數(shù)最少，故以密排面作為表面時(shí)不飽和鍵數(shù)最少，的作用鍵數(shù)最少，故以密排面作為表面時(shí)不飽和鍵數(shù)最少，表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一表面能量低。晶體總是力圖處于最低的自由能狀態(tài)，所以一定體積的晶體的平衡幾何外形應(yīng)滿足表面能總和為最小。定體積的晶體的平衡幾何外形應(yīng)滿足表面能總和為最小。u屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界；而每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相每個(gè)晶粒有時(shí)又由若干個(gè)位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界鄰亞晶粒間的界面稱為

33、亞晶界。圖 晶界與亞晶界示意圖2.3.1 外表面外表面u1.1.小角度晶界小角度晶界u相鄰晶粒的位向差小于相鄰晶粒的位向差小于1010的晶界稱為小角度晶界。的晶界稱為小角度晶界。u最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱傾斜晶界，其晶界可看成是由最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱傾斜晶界，其晶界可看成是由一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。一列平行的刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。圖 對(duì)稱傾斜晶界u扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的扭轉(zhuǎn)晶界是小角度晶界的一種類型，它可看成是兩部一種類型，它可看成是兩部分晶體繞某一軸在一個(gè)共同分晶體繞某一軸在一個(gè)共同的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)的晶面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角角所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這所構(gòu)成的，扭轉(zhuǎn)軸垂直于這一共同的晶面。一共

34、同的晶面。u扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)可看成是晶界的結(jié)構(gòu)可看成是由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成。成。圖 扭轉(zhuǎn)晶界的形成u2.2.大角度晶界大角度晶界u相鄰晶粒的位向差大于相鄰晶粒的位向差大于1010的晶界稱為大角度晶界。的晶界稱為大角度晶界。u大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，原子排列很不規(guī)則，由不規(guī)則原子排列很不規(guī)則，由不規(guī)則的臺(tái)階組成的。晶界可看成壞的臺(tái)階組成的。晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。圖 大角度晶界模型u大角度晶界的大角度晶界的“重合位置重合位置點(diǎn)陣點(diǎn)陣”模型。在二維正方點(diǎn)模型。在二維正方點(diǎn)陣中，當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位陣中，當(dāng)兩個(gè)相鄰晶粒的位向差為向差為3737時(shí)，設(shè)想兩晶粒時(shí)，設(shè)想兩晶粒的點(diǎn)陣彼此通過(guò)晶界向?qū)Ψ降狞c(diǎn)陣彼此通過(guò)晶界向?qū)Ψ窖由欤渲幸恍┰訉⒊霈F(xiàn)延伸，其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律的相互重合，由這些有規(guī)律的相互重合，由這些原子重合位置所組成比原來(lái)原子重合位置所組成比原來(lái)晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣，通常晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣，通常稱為重合位置點(diǎn)陣。稱為重合位置點(diǎn)陣。圖 重合位置點(diǎn)陣模型 v3.3.孿晶界孿晶界v孿晶是指兩個(gè)晶體孿晶是指兩個(gè)晶體( (或一或一個(gè)晶體的兩部分個(gè)晶體的兩部分) )沿一個(gè)公