金屬學(xué)與熱處理位錯

1、2.3 線缺陷線缺陷 位錯模型的提出位錯模型的提出背景背景 完整晶體塑性變形完整晶體塑性變形滑移的模型滑移的模型金屬晶體金屬晶體的理論強度的理論強度理論強度比實測強度高出幾個數(shù)量理論強度比實測強度高出幾個數(shù)量級級 晶體缺陷的設(shè)想晶體缺陷的設(shè)想 線缺陷（位錯）的模型線缺陷（位錯）的模型 以位錯滑移模型計算出的晶體強度，與實測值基以位錯滑移模型計算出的晶體強度，與實測值基本相符。本相符。二二 線缺陷（位錯）線缺陷（位錯）dislocation 位錯：位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。 意義：意義：（對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強度、斷裂（對材料的

2、力學(xué)行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。）大影響。） 位錯的提出：位錯的提出： 1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強度年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強度 與實測臨界切應(yīng)力的巨大差異（與實測臨界切應(yīng)力的巨大差異（24個數(shù)量級）。個數(shù)量級）。 1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。 1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯的交互作用。年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子

3、與位錯的交互作用。 1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。 之后，用之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。直接觀察到了晶體中的位錯。n一、位錯的類型一、位錯的類型n二、位錯的伯格斯矢量二、位錯的伯格斯矢量(Burgers vector ) 及位錯的性質(zhì)及位錯的性質(zhì) n三、位錯的運動三、位錯的運動n四、位錯的彈性性質(zhì)四、位錯的彈性性質(zhì)n五、實際晶體中的位錯五、實際晶體中的位錯一、位錯的類型一、位錯的類型 根據(jù)原子的滑移方向和位錯線取向的幾何特征不根據(jù)原子的滑移方向和位錯線取向的幾何特征不同，位錯分為同，位錯分為刃位錯、螺位錯和混合位錯刃位錯、螺位錯

4、和混合位錯。 （一）刃位錯（一）刃位錯 形成及定義形成及定義（圖圖2-4） ： 晶體在大于屈服值的切應(yīng)力晶體在大于屈服值的切應(yīng)力 作用下，以作用下，以ABCD面面為滑移面發(fā)生滑移。為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯（或棱位錯）。即刃位錯（或棱位錯）。模型：模型：滑移面滑移面/半原子面半原子面/位錯線位錯線 （位錯線（位錯線晶體滑晶體滑移方向，位錯線移方向，位錯線位錯運動方向，晶體滑移方向位錯運動方向，晶體滑移方向/位錯運動方向。）位錯運動方向。） 分類：分類：正刃位錯，正

5、刃位錯， “ ” ；負刃位錯，；負刃位錯， “T” 。符號。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。圖圖2-4 刃位錯示意圖刃位錯示意圖 （二）、螺位錯 形成及定義形成及定義（圖（圖2-5） ： 晶體在外加切應(yīng)力晶體在外加切應(yīng)力 作用下，沿作用下，沿ABCD面滑移，圖面滑移，圖中中BC線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。在線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。在BC與與aa線之間上下兩層原子發(fā)生了錯排現(xiàn)象，連接紊亂線之間上下兩層原子發(fā)生了錯排現(xiàn)象，連接紊亂區(qū)原子，會畫出一螺旋路徑，該路徑所包圍的管狀原區(qū)原子，會畫出一螺旋路徑，該路徑所包圍的管狀原子畸變區(qū)就

6、是螺型位錯。子畸變區(qū)就是螺型位錯。模型：模型：滑移面滑移面/位錯線（位錯線位錯線（位錯線/晶體滑移方向，位錯線晶體滑移方向，位錯線位錯運動方向，晶體滑移方向位錯運動方向，晶體滑移方向位錯運動方向。）位錯運動方向。） 分類：分類：有左、右旋之分，分別符合左手、右手螺旋定則。有左、右旋之分，分別符合左手、右手螺旋定則。圖圖2-5 螺位錯形成示意圖螺位錯形成示意圖 在外力在外力 作用下，兩部分之間發(fā)生相對作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢交線既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢量量b），這樣的位錯稱為混合

7、位錯。如），這樣的位錯稱為混合位錯。如圖圖2-6所示。所示。 位錯線上任意一點，經(jīng)矢量分解后，位錯線上任意一點，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯和螺位錯分量。晶體中位可分解為刃位錯和螺位錯分量。晶體中位錯線的形狀可以是任意的，但位錯線上各錯線的形狀可以是任意的，但位錯線上各點的柏氏矢量相同，只是各點的刃型、螺點的柏氏矢量相同，只是各點的刃型、螺型分量不同而已。型分量不同而已。 （三）、混合位錯（三）、混合位錯圖圖2-6（a）混合位錯的）混合位錯的形成形成（b）混合位錯分解為刃位錯）混合位錯分解為刃位錯和螺位錯示意圖和螺位錯示意圖（c）混合位錯線附近原）混合位錯線附近原子滑移透視圖子滑移透視圖二、位

8、錯的柏格斯矢量（二、位錯的柏格斯矢量（Burgers vector）及位錯的性質(zhì)）及位錯的性質(zhì) 柏格斯矢量：柏格斯矢量：晶體中有位錯存在時，滑移面晶體中有位錯存在時，滑移面一側(cè)質(zhì)點相對于另一側(cè)質(zhì)點的相對位移或一側(cè)質(zhì)點相對于另一側(cè)質(zhì)點的相對位移或畸變?；?。性質(zhì)：性質(zhì)：大小表征了位錯的單位滑移距離，方大小表征了位錯的單位滑移距離，方向與滑移方向一致。向與滑移方向一致。 （一）柏格斯矢量柏格斯矢量 1.確定柏格斯矢量的步驟確定柏格斯矢量的步驟（1）對于給定點的位錯，人為規(guī)定位錯線的）對于給定點的位錯，人為規(guī)定位錯線的方向，如方向，如圖圖2-7所示。所示。（2）用右手螺旋定則確定柏格斯回路方向。）用

9、右手螺旋定則確定柏格斯回路方向。（3）按照）按照圖圖2-7所示的規(guī)律走回路，最后封所示的規(guī)律走回路，最后封閉回路的矢量即要求的柏氏矢量閉回路的矢量即要求的柏氏矢量。 圖圖2-7 簡單立方結(jié)構(gòu)中，圍繞刃位錯的柏格簡單立方結(jié)構(gòu)中，圍繞刃位錯的柏格斯回路斯回路 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、（1）形成位錯的平移（滑移）矢量，柏氏回）形成位錯的平移（滑移）矢量，柏氏回路的不封閉性，定義為路的不封閉性，定義為b。（2）b代表位錯畸變總和，代表位錯畸變總和，b稱為位錯強度。稱為位錯強度。（3）bl 為螺型位錯，為螺型位錯， bl 為刃型位錯。為刃型位錯。 （4）柏氏矢量具有守恒

10、性。）柏氏矢量具有守恒性。柏氏矢量的守恒性柏氏矢量的守恒性 對一條位錯線而言，其柏氏矢量是固定不對一條位錯線而言，其柏氏矢量是固定不變的，此即位錯的柏氏矢量的守恒性。變的，此即位錯的柏氏矢量的守恒性。推論：推論： 1.一條位錯線只有一個柏氏矢量。一條位錯線只有一個柏氏矢量。 2.如果幾條位錯線在晶體內(nèi)部相交（交點稱為節(jié)如果幾條位錯線在晶體內(nèi)部相交（交點稱為節(jié)點），則指向節(jié)點的各位錯的柏氏矢量之和，必點），則指向節(jié)點的各位錯的柏氏矢量之和，必然等于離開節(jié)點的各位錯的柏氏矢量之和然等于離開節(jié)點的各位錯的柏氏矢量之和 。 （二）位錯線的連續(xù)性及位錯密度（二）位錯線的連續(xù)性及位錯密度 1.位錯線的連續(xù)

11、性位錯線的連續(xù)性 位錯線不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體位錯線不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體內(nèi)部，位錯線要么自成環(huán)狀回路，要么與其內(nèi)部，位錯線要么自成環(huán)狀回路，要么與其它位錯相交于節(jié)點，要么穿過晶體終止于晶它位錯相交于節(jié)點，要么穿過晶體終止于晶界或晶體表面。界或晶體表面。 2.位錯密度：單位體積內(nèi)位錯線的總長度位錯密度：單位體積內(nèi)位錯線的總長度=S/V 式中：式中：l為每根位錯線的長度，為每根位錯線的長度，n為面積為面積A中見到的位錯數(shù)目。中見到的位錯數(shù)目。 一般退火金屬晶體中一般退火金屬晶體中 為為105106cm-2數(shù)量級，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，數(shù)量級，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中， 為為101

12、01012cm-2AnAlln三、位錯的運動三、位錯的運動 n位錯的滑移：位錯的滑移：指位錯在外力作用下，在滑移面指位錯在外力作用下，在滑移面上的運動，結(jié)果導(dǎo)致永久形變。上的運動，結(jié)果導(dǎo)致永久形變。n位錯的攀移：位錯的攀移：指在熱缺陷的作用下，位錯在垂指在熱缺陷的作用下，位錯在垂直滑移方向的運動，結(jié)果導(dǎo)致空位或間隙原子直滑移方向的運動，結(jié)果導(dǎo)致空位或間隙原子的增值或減少的增值或減少。（一）位錯的滑移（一）位錯的滑移 1.位錯滑移的機理（圖位錯滑移的機理（圖2-8） 位錯在滑移時是通過位錯線或位錯附近的位錯在滑移時是通過位錯線或位錯附近的原子逐個移動很小的距離完成的。原子逐個移動很小的距離完成的

13、。 圖圖2-8 刃位錯的滑移刃位錯的滑移（a）正刃位錯滑移方向與）正刃位錯滑移方向與外力方向相圖外力方向相圖（b）負刃位錯滑移方）負刃位錯滑移方向與外力方向相反向與外力方向相反刃位錯的運動刃位錯的運動螺位錯的運動螺位錯的運動2.位錯的滑移特點位錯的滑移特點（1）刃位錯滑移方向與柏氏矢量）刃位錯滑移方向與柏氏矢量b平行，正、平行，正、負刃位錯滑移方向相反。負刃位錯滑移方向相反。（2）螺位錯滑移方向與柏氏矢量）螺位錯滑移方向與柏氏矢量b垂直，左、垂直，左、右螺型位錯滑移方向相反。右螺型位錯滑移方向相反。（3）混合位錯滑移方向與柏氏矢量）混合位錯滑移方向與柏氏矢量b成一定角成一定角度（即沿位錯線法線

14、方向滑移）。度（即沿位錯線法線方向滑移）。（4）晶體的滑移方向與位錯的柏氏矢量）晶體的滑移方向與位錯的柏氏矢量b相一相一致，但并不一定與位錯的滑移方向相同。致，但并不一定與位錯的滑移方向相同。 派納力派納力滑移面應(yīng)是晶面間距最大的密排面，滑移方滑移面應(yīng)是晶面間距最大的密排面，滑移方向應(yīng)是原子最密排方向。向應(yīng)是原子最密排方向。（二）位錯的攀移（二）位錯的攀移 位錯的攀移位錯的攀移指在熱缺陷或外力作用下，位錯指在熱缺陷或外力作用下，位錯線在垂直其滑移面方向上的運動，結(jié)果導(dǎo)致晶體線在垂直其滑移面方向上的運動，結(jié)果導(dǎo)致晶體中空位或間隙質(zhì)點的增殖或減少。刃位錯除了滑中空位或間隙質(zhì)點的增殖或減少。刃位錯除

15、了滑移外，還可進行攀移運動。移外，還可進行攀移運動。攀移的實質(zhì)攀移的實質(zhì)是多余半原子面的伸長或縮短。是多余半原子面的伸長或縮短。螺位錯沒有多余半原子面，故無攀移運動。螺位錯沒有多余半原子面，故無攀移運動。 圖圖2-9 刃位錯攀移示意圖刃位錯攀移示意圖（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面縮短）面縮短）(b)未攀移未攀移（c）負攀移（半）負攀移（半原子面伸長）原子面伸長）常溫下位錯靠熱激活來攀移是很困難的。但常溫下位錯靠熱激活來攀移是很困難的。但是，在許多高溫過程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，是，在許多高溫過程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀移卻起著重要作用。位錯攀移在低溫下是難以攀移卻起著重要作用。位

16、錯攀移在低溫下是難以進行的，進行的，只有在高溫下才可能發(fā)生只有在高溫下才可能發(fā)生。 四、位錯的彈性性質(zhì)四、位錯的彈性性質(zhì).位錯的應(yīng)力場與應(yīng)變能位錯的應(yīng)力場與應(yīng)變能理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型連續(xù)彈性介質(zhì)模型假設(shè)：假設(shè)：1.完全服從虎克定律，即不存在塑性變形；完全服從虎克定律，即不存在塑性變形；2. 各向同性；各向同性；3. 連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)力場: 刃位錯上面的原子處于壓應(yīng)力狀態(tài)，為壓應(yīng)力場，刃位錯上面的原子處于壓應(yīng)力狀態(tài)，為壓應(yīng)力場，刃位錯下面的原子處于張應(yīng)力狀態(tài)，為張應(yīng)力場。刃位錯下面的原子處于張應(yīng)力狀態(tài)，為張應(yīng)力場。 圍繞一個

17、螺位錯的晶體圓柱體區(qū)域也有應(yīng)力場存在。圍繞一個螺位錯的晶體圓柱體區(qū)域也有應(yīng)力場存在。螺位錯應(yīng)力場中不存在正應(yīng)力分量。切應(yīng)螺位錯應(yīng)力場中不存在正應(yīng)力分量。切應(yīng)力分量之與力分量之與r有關(guān)，與有關(guān)，與 無關(guān)，所以螺位錯應(yīng)力無關(guān)，所以螺位錯應(yīng)力場是徑向?qū)ΨQ的，即同一半徑上的切應(yīng)力相等。場是徑向?qū)ΨQ的，即同一半徑上的切應(yīng)力相等。正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量同時存在，各應(yīng)正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量同時存在，各應(yīng)力分量與力分量與Z無關(guān)，滑移面以上，為壓應(yīng)力，滑無關(guān)，滑移面以上，為壓應(yīng)力，滑移面以下為拉應(yīng)力。移面以下為拉應(yīng)力。n位錯的彈性應(yīng)變能可進一步簡化為一個簡單的位錯的彈性應(yīng)變能可進一步簡化為一個簡單的函數(shù)式：函數(shù)

18、式：n W=W= GbGb2 2 式中式中W為單位長度位錯線的彈性應(yīng)變能，為單位長度位錯線的彈性應(yīng)變能，G是剪切模量，是剪切模量，b是柏氏矢量，是柏氏矢量， =1/4lnR/r0 其中其中R是晶體的外徑是晶體的外徑、 r0 是位錯核心的半徑，是位錯核心的半徑，系數(shù)系數(shù) 由位錯的類型、密度（由位錯的類型、密度（R值）決定，其值值）決定，其值的范圍為的范圍為0.51.0。n意義：上式表明意義：上式表明Wb2，故可用柏氏矢量的大，故可用柏氏矢量的大小來判斷晶體哪些地方最容易形成位錯。小來判斷晶體哪些地方最容易形成位錯。2.外力場中位錯所受的力外力場中位錯所受的力FdFdbb作用在單位長度位錯線上的力與外加切應(yīng)力作用在單位長度位錯線上的力與外加切應(yīng)力和柏氏矢量和柏氏矢量b b成正比，方向處處垂直于位錯成正比，方向處處垂直于位錯線，并指向未滑移區(qū)。線，并指向未滑移區(qū)。3. 位錯線張力位錯線張力線張力數(shù)值上等于單位長度位錯的應(yīng)變能。線張力數(shù)值上等于單位長度位錯的應(yīng)變能。T=T= GbGb2 24. 位錯間的交互作用力位錯間的交互作用力五、實際晶體中的位錯五、實際晶體中的位錯.單位位錯（全位錯）單位位錯（全位錯）b b為沿滑移方向的原子間距的整數(shù)倍的位錯。為沿滑移方向的原子間距的整數(shù)倍的位錯。2.不全位錯不全位錯 b b小于滑移方向的原子間距的位錯。小于滑移方向的原子