第3章晶體缺陷-位錯的運動與彈性性質(zhì)ppt課件

1、第三章第三章 晶體缺陷晶體缺陷 引引 言言 晶體缺陷概述及類型晶體缺陷概述及類型第一節(jié)第一節(jié) 點缺陷點缺陷第二節(jié)第二節(jié) 位錯位錯-線缺陷線缺陷第三節(jié)第三節(jié) 表面及界面表面及界面第二節(jié)第二節(jié) 位位 錯錯2.1、位錯的基本類型和特征、位錯的基本類型和特征2.2、位錯的運動與彈性性質(zhì)、位錯的運動與彈性性質(zhì)2.3、實際晶體中的位錯、實際晶體中的位錯2.2、位錯的運動與彈性性質(zhì)、位錯的運動與彈性性質(zhì)一、位錯運動的方式一、位錯運動的方式二、位錯運動的交割二、位錯運動的交割 三、位錯的彈性性質(zhì)三、位錯的彈性性質(zhì)四、位錯與其他缺陷的交互作用四、位錯與其他缺陷的交互作用 位錯在晶體中運動有兩種方式：滑移和攀位錯

2、在晶體中運動有兩種方式：滑移和攀移，其中滑移最為重要。移，其中滑移最為重要。一、位錯運動的方式一、位錯運動的方式攀移攀移滑移滑移圖圖 刃型位錯與螺型位錯的滑移刃型位錯與螺型位錯的滑移1、位錯的滑移、位錯的滑移圖圖 螺型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程螺型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程圖圖 刃型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程刃型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程 位錯的滑移是在切應(yīng)力作用下進行的，只有位錯的滑移是在切應(yīng)力作用下進行的，只有當滑移面上的切應(yīng)力分量達到一定值后位錯才能當滑移面上的切應(yīng)力分量達到一定值后位錯才能滑移?；?。類型類型 柏氏向量柏氏向量 位錯線位錯線運動方向運動方向 晶體晶體滑移

3、方向滑移方向 切應(yīng)力切應(yīng)力方向方向 滑移面滑移面?zhèn)€數(shù)個數(shù) 刃型位錯刃型位錯于位錯線于位錯線于位錯于位錯線本身線本身與與b b一致一致與與b b一致一致唯一唯一螺型位錯螺型位錯于位錯線于位錯線于位錯于位錯線本身線本身與與b b一致一致與與b b一致一致多個多個混合位錯混合位錯與位錯線成與位錯線成一定角度一定角度 于位錯于位錯線本身線本身與與b b一致一致與與b b一致一致螺位錯的交滑移螺位錯的交滑移 由于混合位錯可以分解為刃型和螺型兩部分，因而，由于混合位錯可以分解為刃型和螺型兩部分，因而，混合位錯在切應(yīng)力作用下，也是沿其各線段的法線方向滑移，混合位錯在切應(yīng)力作用下，也是沿其各線段的法線方向滑移

4、，并同樣可使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。并同樣可使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。（a a位錯環(huán)位錯環(huán) （b b位錯環(huán)運動后產(chǎn)生的滑移位錯環(huán)運動后產(chǎn)生的滑移圖圖 位錯環(huán)的滑移位錯環(huán)的滑移2、位錯的攀移、位錯的攀移（1攀移的概念與本質(zhì)攀移的概念與本質(zhì) 攀移的本質(zhì)是刃型位錯的半原子面向上或向下移攀移的本質(zhì)是刃型位錯的半原子面向上或向下移動，于是位錯線就跟著向上或是向下運動，因此攀移動，于是位錯線就跟著向上或是向下運動，因此攀移時位錯線的運動方向正好與柏氏矢量垂直。時位錯線的運動方向正好與柏氏矢量垂直。 只有刃型位錯才能發(fā)生攀移運動，螺型位錯是不只有刃型位錯才能發(fā)生攀移運動，螺型位錯是不會攀

5、移的。會攀移的。（2攀移的分類及割階概念攀移的分類及割階概念 通常把半原子面向上移動稱為正攀移，半原子面通常把半原子面向上移動稱為正攀移，半原子面向下運動稱為負攀移。向下運動稱為負攀移。 割階指攀移時位錯線上的臺階。割階指攀移時位錯線上的臺階。圖圖 刃位錯攀移示意圖刃位錯攀移示意圖（a正攀移半原正攀移半原子面縮短）子面縮短）(b)未攀移未攀移（c負攀移負攀移半原子面伸長）半原子面伸長）（3影響位錯攀移的因素影響位錯攀移的因素 溫度溫度 攀移是通過原子的擴散而實現(xiàn)的而滑移不涉攀移是通過原子的擴散而實現(xiàn)的而滑移不涉及原子的擴散）；由于空位的數(shù)量及其運動速率對及原子的擴散）；由于空位的數(shù)量及其運動速

6、率對溫度十分敏感，因此位錯攀移是一個熱激活過程。溫度十分敏感，因此位錯攀移是一個熱激活過程。 應(yīng)力應(yīng)力 外加應(yīng)力對位錯有促進作用，但切應(yīng)力是無效外加應(yīng)力對位錯有促進作用，但切應(yīng)力是無效的，只有正應(yīng)力才會協(xié)助位錯實現(xiàn)攀移；壓應(yīng)力有的，只有正應(yīng)力才會協(xié)助位錯實現(xiàn)攀移；壓應(yīng)力有助于正攀移，拉應(yīng)力有助于負攀移。助于正攀移，拉應(yīng)力有助于負攀移。二、位錯運動的交割二、位錯運動的交割1、位錯交割的含義、位錯交割的含義 對于在滑移面上運動的位錯來說，穿過對于在滑移面上運動的位錯來說，穿過此滑移面的其它位錯稱為林位錯。此滑移面的其它位錯稱為林位錯。 林位錯會阻礙位錯的運動，但是若應(yīng)力林位錯會阻礙位錯的運動，但是

7、若應(yīng)力足夠大，滑動的位錯將切過林位錯繼續(xù)前進。足夠大，滑動的位錯將切過林位錯繼續(xù)前進。 位錯互相切割的過程稱為位錯交割或位位錯互相切割的過程稱為位錯交割或位錯交截。錯交截。2、割階與扭折、割階與扭折 兩個位錯交割時，每個位錯上都要兩個位錯交割時，每個位錯上都要產(chǎn)生一個新的小段位錯。當交割產(chǎn)生的小產(chǎn)生一個新的小段位錯。當交割產(chǎn)生的小段位錯不在所屬位錯的滑移面上時，則成段位錯不在所屬位錯的滑移面上時，則成為位錯割階；如果小段位錯位于所屬位錯為位錯割階；如果小段位錯位于所屬位錯的滑移面上，則成為位錯扭折。的滑移面上，則成為位錯扭折。 刃型位錯的割階部分仍為刃型位錯，刃型位錯的割階部分仍為刃型位錯，扭

8、折部分為螺型位錯。扭折部分為螺型位錯。 螺型位錯的割階與扭折均為刃型位螺型位錯的割階與扭折均為刃型位錯。錯。 扭折與原位錯線在同一滑移面上，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；可隨主位錯線一道運動，幾乎不產(chǎn)生阻力；扭折在線張力作用下易消失。扭折在線張力作用下易消失。 割階與原位錯線不在同一滑移面上，割階與原位錯線不在同一滑移面上，除攀移外不能隨主位錯線一道運動，成為除攀移外不能隨主位錯線一道運動，成為位錯運動的障礙，稱割階硬化。位錯運動的障礙，稱割階硬化。兩根互相垂直的刃型位錯的交割柏氏矢量互相垂直）兩根互相垂直的刃型位錯的交割柏氏矢量互相垂直）3、幾種典型的位

9、錯交割、幾種典型的位錯交割(1) 兩個柏氏矢量互相垂直的刃型位錯交割兩個柏氏矢量互相垂直的刃型位錯交割圖圖 兩個柏氏矢量互相垂直刃型位錯交割兩個柏氏矢量互相垂直刃型位錯交割位錯割階刃型位錯(2) 兩個柏氏矢量互相平行的刃型位錯交割兩個柏氏矢量互相平行的刃型位錯交割圖圖 兩個柏氏矢量互相平行刃型位錯交割兩個柏氏矢量互相平行刃型位錯交割位錯扭折螺型位錯位錯扭折螺型位錯(3) 刃型位錯與螺型位錯的交割刃型位錯與螺型位錯的交割圖圖 刃型位錯與螺型位錯的交割刃型位錯與螺型位錯的交割位錯割階刃型位錯位錯扭折刃型位錯(4) 螺型位錯與螺型位錯的交割螺型位錯與螺型位錯的交割圖圖 螺型位錯與螺型位錯的交割螺型位

10、錯與螺型位錯的交割位錯割階刃型位錯位錯扭折刃型位錯三、位錯的彈性性質(zhì)三、位錯的彈性性質(zhì)1、位錯的應(yīng)力場、位錯的應(yīng)力場 位錯的彈性性質(zhì)是位錯理論的位錯的彈性性質(zhì)是位錯理論的核心與基礎(chǔ)，它探討的是位錯在晶核心與基礎(chǔ)，它探討的是位錯在晶體中引起的畸變的分布及其能量變體中引起的畸變的分布及其能量變化?；?。 位錯在晶體中的存在使其周圍位錯在晶體中的存在使其周圍原子偏離平衡位置而導(dǎo)致點陣畸變原子偏離平衡位置而導(dǎo)致點陣畸變和彈性應(yīng)力場的產(chǎn)生。和彈性應(yīng)力場的產(chǎn)生。 在討論位錯的彈性應(yīng)力場的基在討論位錯的彈性應(yīng)力場的基礎(chǔ)上，可推算出位錯所具有的能量、礎(chǔ)上，可推算出位錯所具有的能量、位錯的作用力、位錯與晶體其它缺

11、位錯的作用力、位錯與晶體其它缺陷間交互作用等問題。陷間交互作用等問題。圖圖 位錯的連續(xù)介質(zhì)模型位錯的連續(xù)介質(zhì)模型（a螺位錯螺位錯b刃位錯刃位錯（1螺位錯的應(yīng)力場螺位錯的應(yīng)力場 螺型位錯周圍只有一個切應(yīng)變：螺型位錯周圍只有一個切應(yīng)變：zb/2r 相應(yīng)的各應(yīng)力分量分別為相應(yīng)的各應(yīng)力分量分別為 用直角坐標表示用直角坐標表示 螺位錯的應(yīng)力場的特點：螺位錯的應(yīng)力場的特點： 只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量全為零，這只有切應(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。表明螺型位錯不引起晶體的膨脹和收縮。 螺型位錯所產(chǎn)生的切應(yīng)力分量只與螺型位錯所產(chǎn)生的切應(yīng)力分量只與r有關(guān)有關(guān)成反比），而與成反

12、比），而與，z 無關(guān)。只要無關(guān)。只要r一定，一定，z就為常數(shù)。因而，螺型位錯的應(yīng)場是軸對就為常數(shù)。因而，螺型位錯的應(yīng)場是軸對稱的，即與位錯等距離的各處，其切應(yīng)力值稱的，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)力值減相等，并隨著與位錯距離的增大，應(yīng)力值減小。小。 r0時，時，z，顯然與實際情況不符，顯然與實際情況不符，這說明上述結(jié)果不適用位錯中心的嚴重畸變這說明上述結(jié)果不適用位錯中心的嚴重畸變區(qū)。區(qū)。 （2刃位錯的應(yīng)力場刃位錯的應(yīng)力場圖圖 刃位錯周圍的應(yīng)力場刃位錯周圍的應(yīng)力場刃位錯的應(yīng)力場的特點：刃位錯的應(yīng)力場的特點： 同時存在正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量，而同時存在正應(yīng)力分量

13、與切應(yīng)力分量，而且各應(yīng)力分量的大小與且各應(yīng)力分量的大小與G和和b成正比，與成正比，與r成成反比。反比。 各應(yīng)力分量都是，的函數(shù)，而與各應(yīng)力分量都是，的函數(shù)，而與無關(guān)。這表明在平行與位錯的直線上，任一無關(guān)。這表明在平行與位錯的直線上，任一點的應(yīng)力均相同。點的應(yīng)力均相同。 在滑移面上，沒有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力，在滑移面上，沒有正應(yīng)力，只有切應(yīng)力，而且切應(yīng)力而且切應(yīng)力xy 達到極大值。達到極大值。 正刃型位錯的位錯滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力，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)為拉應(yīng)力?；泼嫦聜?cè)為拉應(yīng)力。 xy時，時，yy，xy均為零，說明在直均為零，說明在直角坐標的兩條對角線處，只有角坐標的兩條

14、對角線處，只有xx。 2、位錯的應(yīng)變能、位錯的應(yīng)變能（1位錯能的概念位錯能的概念 位錯線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量位錯線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯的應(yīng)變能，簡稱位錯能。狀態(tài)，高出的能量稱為位錯的應(yīng)變能，簡稱位錯能。 （2位錯是不平衡的缺陷，且具有盡量變直縮短的趨勢位錯是不平衡的缺陷，且具有盡量變直縮短的趨勢 （3位錯能的計算公式單位位錯線的位錯能）位錯能的計算公式單位位錯線的位錯能）其中其中的值可以取的值可以取0.5-1.0，螺型位錯螺型位錯取下限取下限0.5，刃型位錯取上限刃型位錯取上限1.0。2GbE位錯的總能量與位錯線的長度成正比，因此

15、為降低能量，位錯的總能量與位錯線的長度成正比，因此為降低能量，位錯線有縮短變直的傾向。故在位錯線上存在一種使其變位錯線有縮短變直的傾向。故在位錯線上存在一種使其變直的線張力。這個線張力在數(shù)值上等于位錯應(yīng)變能。直的線張力。這個線張力在數(shù)值上等于位錯應(yīng)變能。rGbGbTdrddsdTdsb2)5 . 0(222sin2sin22彎曲位錯圖圖 位錯的線張力位錯的線張力3、位錯的線張力、位錯的線張力 保持位錯線彎曲所需的切應(yīng)力與曲率半徑成反比。保持位錯線彎曲所需的切應(yīng)力與曲率半徑成反比。4、作用在位錯上的力、作用在位錯上的力刃型位錯的切應(yīng)力方向垂直與位錯線；刃型位錯的切應(yīng)力方向垂直與位錯線；螺型位錯的

16、切應(yīng)力方向平行于位錯線；螺型位錯的切應(yīng)力方向平行于位錯線；使位錯攀移的力為正應(yīng)力。使位錯攀移的力為正應(yīng)力。 bF位錯滑移時的力位錯滑移時的力位錯攀移時的力位錯攀移時的力bF力的方向與位錯線運動方向一致，垂直于位錯線方向。力的方向與位錯線運動方向一致，垂直于位錯線方向。四、位錯與其他缺陷的交互作用四、位錯與其他缺陷的交互作用1 1、位錯與點缺陷的交互作用、位錯與點缺陷的交互作用 （1 1柯氏氣團：通常把溶質(zhì)原子與位柯氏氣團：通常把溶質(zhì)原子與位錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的現(xiàn)象成為柯錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的現(xiàn)象成為柯氏氣團；氣團的形成對位錯有釘扎作用，是固氏氣團；氣團的形成對位錯有釘扎作用，

17、是固溶強化的原因之一；當溶質(zhì)原子分布在位錯周溶強化的原因之一；當溶質(zhì)原子分布在位錯周圍時使位錯的應(yīng)變能下降，這樣位錯的穩(wěn)定性圍時使位錯的應(yīng)變能下降，這樣位錯的穩(wěn)定性增加了，位錯由易動變得不容易移動，使晶體增加了，位錯由易動變得不容易移動，使晶體的塑性變形抗力屈服強度進步。的塑性變形抗力屈服強度進步。 （2 2空位與位錯也會發(fā)生交互作用，其結(jié)空位與位錯也會發(fā)生交互作用，其結(jié)果是使位錯發(fā)生攀移，這一交互作用在高溫下果是使位錯發(fā)生攀移，這一交互作用在高溫下顯得十分重要，因為空位濃度是隨溫度升高呈顯得十分重要，因為空位濃度是隨溫度升高呈指數(shù)關(guān)系上升的。指數(shù)關(guān)系上升的。2、位錯與其它位錯的交互作用、位錯與其它位錯的交互作用 （1位錯的應(yīng)力場對其他位錯也產(chǎn)位錯的應(yīng)力場對其他位錯也產(chǎn)生一個作用力，使位錯發(fā)生運動，以降生一個作用力，使位錯發(fā)生運動，以降低體系的自由能。低體系的自由能。 （2同一滑移面上兩根平行刃型位同一滑移面上兩根平行刃型位錯的互相作用也與螺型位錯一樣，同號錯的互相作用也與螺型位錯一樣，同號位錯互相排斥，異號位錯互相吸引。位錯互相排斥，異號位錯互相吸引。 （3位錯墻