位錯反應與層錯理論

1、整理課件位錯反應和層錯機理整理課件面心立方晶體中的典型位錯面心立方晶體中的典型位錯柏氏矢量柏氏矢量1102a1126a1113a位錯類型位錯類型刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混純刃純刃位錯線形狀位錯線形狀空間曲線空間曲線111面面上任意曲線上任意曲線111面面上任意曲線上任意曲線可能運動方式可能運動方式滑移、攀移滑移、攀移只滑不攀只滑不攀只攀不滑只攀不滑位錯名稱位錯名稱全位錯全位錯肖克萊位錯肖克萊位錯弗蘭克位錯弗蘭克位錯整理課件 4. 位錯反應位錯反應(dislocation reaction) ：v實際晶體中，組態(tài)不穩(wěn)定的位錯可以轉化為組態(tài)穩(wěn)定實際晶體中，組態(tài)不穩(wěn)定的位錯可以轉化為組

2、態(tài)穩(wěn)定的位錯的位錯; v具有不同具有不同b的位錯線可以合并為一條位錯線；反之，的位錯線可以合并為一條位錯線；反之，一條位錯線也可以分解為兩條或多條具有不同一條位錯線也可以分解為兩條或多條具有不同b的位的位錯線。錯線。v位錯反應位錯反應位錯之間相互轉換位錯之間相互轉換( (即柏氏矢量的合成與即柏氏矢量的合成與分解分解) )。一、位錯反應一、位錯反應整理課件位錯反應能否進行取決于兩個條件：位錯反應能否進行取決于兩個條件： 幾何條件：反應前的柏氏矢量和等于反應后的柏氏矢量和。幾何條件：反應前的柏氏矢量和等于反應后的柏氏矢量和。后前bb 能量條件：反應后諸位錯的總能量小于反應前諸位錯的總能量條件：反應

3、后諸位錯的總能量小于反應前諸位錯的總能量，這是熱力學定律所要求的。能量，這是熱力學定律所要求的。22bb后前b1b2b3注意：注意：b的方向與規(guī)定的的方向與規(guī)定的的正向有關。所的正向有關。所以位錯反應中，一般規(guī)定以位錯反應中，一般規(guī)定反應前位錯反應前位錯線指向節(jié)點，反應后離開節(jié)點。線指向節(jié)點，反應后離開節(jié)點。2eEb位錯反應判據(jù)位錯反應判據(jù)整理課件一個位錯分解成兩個或多個具有不同柏氏矢量的位錯，面心立方晶體一個位錯分解成兩個或多個具有不同柏氏矢量的位錯，面心立方晶體中一個全位錯分解成兩個肖克萊不全位錯。中一個全位錯分解成兩個肖克萊不全位錯。兩個或多個具有不同柏氏矢量的不全位錯合并成一個全位錯，

4、一個兩個或多個具有不同柏氏矢量的不全位錯合并成一個全位錯，一個肖克萊不全位錯和一個弗蘭克不全位錯合并成一個全位錯。肖克萊不全位錯和一個弗蘭克不全位錯合并成一個全位錯。112621161102aaa兩個全位錯合并成另一全位錯。兩個全位錯合并成另一全位錯。兩個位錯合并重新組合成另兩個位錯，如體心立方中：兩個位錯合并重新組合成另兩個位錯，如體心立方中：110211020112aaa110211131126aaa11121112010100aaaa位錯反應類型位錯反應類型整理課件FCC 中，以全位錯分解成兩個肖克萊位錯為例。中，以全位錯分解成兩個肖克萊位錯為例。u結構條件：結構條件：112611261

5、012aaa滿足滿足u能量條件：能量條件：滿足滿足位錯反應判據(jù)詳解位錯反應判據(jù)詳解整理課件Thompson四面體：四面體：可以幫可以幫助確定助確定fcc結構中的位錯反應。結構中的位錯反應。沿沿(111)面，定義每個面的中面，定義每個面的中點坐標為：點坐標為：)0 ,21,21(A)21,0 ,21(B)21,21,0(C)0 ,0 ,0(D湯普森四面體湯普森四面體 整理課件( (b)四面體外表面中心位置四面體外表面中心位置 定義：定義： 為為ABC面中點面中點 為為BCD面中點面中點 為為ABD面中點面中點 為為ACD面中點面中點湯普森四面體湯普森四面體 整理課件實例計算 整理課件 121 6

6、111261湯普森四面體的展開湯普森四面體的展開 整理課件用于表示用于表示fcc晶體中的位錯反應晶體中的位錯反應 Thompson四面體在四面體在fcc晶胞中的位置：晶胞中的位置：D點在坐標原點，其余頂點的坐標點在坐標原點，其余頂點的坐標分別為，分別為，A(1/2, 0, 1/2)，B(0, 1/2, 1/2)，C(1/2, 1/2, 0)。四面體。四面體4個外表面（等邊個外表面（等邊三角形）的中心分別用三角形）的中心分別用、表示，并分別對應表示，并分別對應A、B、C、D四個頂點所四個頂點所對的面。這樣對的面。這樣A、B、C、D、 、等等8個點中的每個點中的每2個點連成的向量就表個點連成的向量

7、就表示了示了fcc晶體中所有重要位錯的柏氏矢量。晶體中所有重要位錯的柏氏矢量。湯普森四面體位點解釋湯普森四面體位點解釋 整理課件)111()()111()()111()()111()(ABCdABDcADCbBDCa1 1 1(,)6 6 31 1 1(,)6 3 61 1 1(,)3 6 61 1 1(,)3 3 31 1(,0)2 211(,0,)221 1(0,)2 2(0,0,0)ABCDABCD湯普森四面體位點坐標湯普森四面體位點坐標 整理課件BADDDC(a)(c)(b)(d)111021101210112DADBDC 101121110211012ABDBDABCDCDBACDC

8、DA 由四面體頂點由四面體頂點A、B、C、D（羅馬字母）連成的向量：（羅馬字母）連成的向量：羅羅-羅向量就是羅向量就是fcc中全位錯的中全位錯的12個可能的柏氏矢量個可能的柏氏矢量1、羅、羅-羅向量羅向量整理課件B ADDDC(a)(c)(b)(d) 由四面體頂點（羅馬字母）和通過該頂點的外表面中心（不由四面體頂點（羅馬字母）和通過該頂點的外表面中心（不對應的希臘字母）連成的向量：對應的希臘字母）連成的向量： 這些向量可以由三角形重心性質求得這些向量可以由三角形重心性質求得不對應的羅不對應的羅-希向量是希向量是fcc中中24個個Shockley不全位錯的柏氏矢量不全位錯的柏氏矢量1112611

9、21612116DDD 121161121611126AAA 121161112611216BBB 112161112612116CCC 2、不對應的羅、不對應的羅-希向量希向量整理課件B ADDDC(a)(c)(b)(d)4個頂點到它所對的三角形中點的連線代表個頂點到它所對的三角形中點的連線代表8個個1/3111型的滑移矢量。根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對應的羅希向型的滑移矢量。根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對應的羅希向量：量：111011211111263111110112111263111101121111263111110112111263AABBBBCCCCAADDAA 對應的羅希向量就是對應

10、的羅希向量就是fcc中中8個個Frank不全錯的柏氏矢量。不全錯的柏氏矢量。3、對應的羅、對應的羅-希向量希向量整理課件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：11111211120116663CCBA 同理可得：同理可得：11101631111063111106311101631101163CADACBDBDC 希希向量就是希希向量就是fcc中中壓桿位錯壓桿位錯的柏氏矢量。的柏氏矢量。B ADDDC(a)(c)(b)(d)4、希、希-希向量希向量整理課件整理課件面心立方中擴展位錯的進一步解釋面心立方中擴展位錯的進一步解釋： 正常堆垛正常堆垛ABCA

11、BC.B位置到位置到C位置：位置：ABCACB.，層錯，層錯整理課件 由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)。由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)。 面心立方晶體中，能量最低的全位錯是處在面心立方晶體中，能量最低的全位錯是處在(111)面上的柏氏矢量為面上的柏氏矢量為 的單位位錯?，F(xiàn)考慮它沿的單位位錯。現(xiàn)考慮它沿(111)面的滑移情況。面的滑移情況。 1102a 如圖如圖(111)面上的圓球位置為面上的圓球位置為A層位置，層位置，B層層和和C層的原子分別處于三個層的原子分別處于三個A層原子位置的低谷層原子位置的低谷位置。位置。a) 全位

12、錯的滑移全位錯的滑移1012ab 若單位位錯若單位位錯 在切應力作用下沿在切應力作用下沿著著 (111) 在在A層原子面上滑移時，則層原子面上滑移時，則B層原子從層原子從B1位置滑動到相鄰的位置滑動到相鄰的 B2位置，點位置，點陣排列沒有變化，不存在層錯現(xiàn)象。但需要陣排列沒有變化，不存在層錯現(xiàn)象。但需要越過越過A層原子的層原子的“高峰高峰”，這需要提供較高，這需要提供較高的能量。的能量。1012ab 101 面心立方晶體中，能量最低的全位錯是處在面心立方晶體中，能量最低的全位錯是處在(111)面上的柏氏矢量為面上的柏氏矢量為 的單位位錯。現(xiàn)考慮它沿的單位位錯?，F(xiàn)考慮它沿(111)面的滑移情況。

13、面的滑移情況。 1102a整理課件 但如果滑移分兩步完成，即先從但如果滑移分兩步完成，即先從 B1位置沿位置沿A原子間的原子間的“低谷低谷”滑移到鄰近滑移到鄰近的的C位置，即位置，即 ；然后再由；然后再由C滑滑移到另一個移到另一個 B2位置，即位置，即 ，這，這種滑移比較容易。種滑移比較容易。 121611b112612bb) 及及 分位錯的滑移及其間的層錯分位錯的滑移及其間的層錯12161b11261b 第一步當?shù)谝徊疆擝層原子移到層原子移到C位置時，將位置時，將在在 (111)面上導致堆垛順序變化，即由面上導致堆垛順序變化，即由原來的原來的ABCABC.正常堆垛順序變?yōu)檎６讯忭樞蜃優(yōu)锳B

14、CA CABC.。這種原子堆垛次序遭這種原子堆垛次序遭到破壞現(xiàn)象稱為到破壞現(xiàn)象稱為堆垛層錯堆垛層錯。 而第二步從而第二步從C位置再移到位置再移到B位置時，位置時，則又恢復正常堆垛順序。則又恢復正常堆垛順序。整理課件 每一步滑移造成了層錯，因此，每一步滑移造成了層錯，因此，層錯層錯區(qū)與正常區(qū)之間必然會形成兩個不全位錯。區(qū)與正常區(qū)之間必然會形成兩個不全位錯。故故 和和 為肖克萊不全位錯。也就是說，為肖克萊不全位錯。也就是說，一個全位錯一個全位錯 分解為兩個肖克萊不全位錯分解為兩個肖克萊不全位錯 和和 ，全位錯的運動由兩個不全位錯的運，全位錯的運動由兩個不全位錯的運動來完成，即動來完成，即 1b2b

15、b1b2b這個位錯反應從幾何條件和能量條件判斷均是可行的，因為這個位錯反應從幾何條件和能量條件判斷均是可行的，因為110121211266aaa幾何條件：幾何條件： 110121211266aaa能量條件：能量條件： 21bbb,2122ab22222213166aaabb22212bbb整理課件v 分解后的這兩個不全位錯位于同一滑分解后的這兩個不全位錯位于同一滑移面上，其柏氏矢量夾角是移面上，其柏氏矢量夾角是60，它，它們是互相排斥的，有分開的趨勢，在們是互相排斥的，有分開的趨勢，在兩個不全位錯之間夾了一片層錯區(qū)。兩個不全位錯之間夾了一片層錯區(qū)。v 通常我們將這種兩個不全位錯夾一個通常我們將

16、這種兩個不全位錯夾一個層錯區(qū)的組態(tài)稱之為層錯區(qū)的組態(tài)稱之為擴展位錯擴展位錯。整理課件BBBBBBA2116a1216a1102ab1 b2 b3 b1 b2 b3 b1= b2+ b3 + SF 整理課件v 為了降低兩個不全位錯間的層錯能，為了降低兩個不全位錯間的層錯能，力求把兩個不全位錯的間距縮小，力求把兩個不全位錯的間距縮小，則相當于給予兩個不全位錯一個吸則相當于給予兩個不全位錯一個吸力，數(shù)值等于層錯的表面張力力，數(shù)值等于層錯的表面張力（即（即單位面積層錯能）。單位面積層錯能）。v 兩個不全位錯間的斥力則力圖增加兩個不全位錯間的斥力則力圖增加寬度，寬度，當斥力與吸力相平衡時當斥力與吸力相平

17、衡時，不，不全位錯之間的距離一定，這個全位錯之間的距離一定，這個平衡平衡距離便是擴展位錯的寬度距離便是擴展位錯的寬度 d。面心立方晶體中的擴展位錯面心立方晶體中的擴展位錯 整理課件當當 f 與層錯能與層錯能相等時，處于平衡相等時，處于平衡 擴展位錯的寬度擴展位錯的寬度:dbbG221221bbGd層錯能層錯能，擴展寬度，擴展寬度d，相反則，相反則。122G b bfrdb1b2bCoAgCuAuAlNi0.020.020.040.060.200.25J/m2兩個平行不全位錯之間的斥力兩個平行不全位錯之間的斥力整理課件112621161102_aaa)111(1102abs1126_a2116a

18、v 純螺位錯在純螺位錯在 面上分解面上分解)111(1102absv 運動過程中，若前方受阻，運動過程中，若前方受阻，兩個偏位錯束集成全位錯。兩個偏位錯束集成全位錯。當雜質原子或其它因素使層當雜質原子或其它因素使層錯面上某些地區(qū)的能量提高錯面上某些地區(qū)的能量提高時，該地區(qū)的擴展位錯就會時，該地區(qū)的擴展位錯就會變窄，甚至收縮成一個結點，變窄，甚至收縮成一個結點，又變成原來的全位錯，這個又變成原來的全位錯，這個現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為位錯的束集位錯的束集。 束集束集可以看作可以看作位錯擴展的反過程。位錯擴展的反過程。2116a2116a1126_a1126_a)111(整理課件在外力作用下，擴展位錯收縮成

19、原來的全位在外力作用下，擴展位錯收縮成原來的全位錯的過程稱為束集。錯的過程稱為束集。整理課件v 由于擴展位錯只能在其所在的滑移面上運動，若要進由于擴展位錯只能在其所在的滑移面上運動，若要進行交滑移，擴展位錯必須首先行交滑移，擴展位錯必須首先束集成全螺位錯束集成全螺位錯，然后然后交滑移到交滑移到 面上，重新分解成新的擴展位錯，繼面上，重新分解成新的擴展位錯，繼續(xù)運動。續(xù)運動。121612161102_aaa)111 (總結：總結： 在實際晶體中，由于擴展位錯的形成，螺位錯的交滑移比在實際晶體中，由于擴展位錯的形成，螺位錯的交滑移比全位錯的交滑移要全位錯的交滑移要困難得多困難得多，必須經束集后才能進行。晶體層，必須經束集后才能進行。晶體層錯能越低，擴展位錯的寬度越大，束集越困難，不易交滑移，錯能越低，擴展位錯的寬度越大，束集越困難，不易交滑移，因此晶體的變形抗力越大。因此晶體的變形抗力越大。)111() 111 (1216a1216a整理課件整理課件整理課件1126111261101