實際晶體中的位錯解析課件

第三章實際晶體中的位錯行為多種位錯形式多種位錯運動形式多種位錯作用形式1第三章實際晶體中的位錯行為多種位錯形式13.1實際晶體結構中的位錯類型1.全位錯 柏氏矢量等于最短的點陣平移矢量的位錯23.1實際晶體結構中的位錯類型1.全位錯233全位錯可能會發(fā)生反應包括合并（Merging）與分解（Dissociation）位錯反應需滿足幾何條件與能量條件幾何條件能量條件4全位錯可能會發(fā)生反應4例：5例：5全位錯可通過如上過程變?yōu)閿U展位錯6全位錯可通過如上過程變?yōu)閿U展位錯62.堆垛層錯與不全位錯正常堆垛時無晶體缺陷形成72.堆垛層錯與不全位錯正常堆垛時無晶體缺陷形成7層錯——由于晶體的堆垛次序變化破壞了周期性機構而形成的晶體缺陷。StackingFault(SF)層錯矢量為a/3<111>8層錯——由于晶體的堆垛次序變化破壞了周期性機構而形成的晶體缺層錯能(StackingFaultEnergy.SFE) 指形成單位面積層錯所增加的能量 在數(shù)值上等于相應密排面的表面張力層錯能隨材料種類而不同：通常體心立方的層錯能較高，面心與密排結構的層錯能較低（但Al，Ni特殊）金屬AgAuCuAlNiCoγ(J/cm2)0.020.060.040.20.250.029層錯能(StackingFaultEnergy.SFE)堆垛層錯的邊界與位錯緊密相連b=a/3<111>10堆垛層錯的邊界與位錯緊密相連b=a/3<111>103.不全位錯 柏氏矢量小于最短的點陣平移矢量的位錯 可分為肖克萊（Shockley）不全位錯與弗蘭克（Frank）不全位錯 以下討論面心立方結構中的不全位錯113.不全位錯11沿密排面滑移形成的不全位錯(ShockleyPartialDislocation)b=a/6<112>12沿密排面滑移形成的不全位錯b=a/6<112>1213131414層錯邊緣為弗蘭克不全位錯插入或抽出半層密排面形成的不全位錯（FrankPartialDislocation）b=a/3<111>15層錯邊緣為弗蘭克不全位錯插入或抽出半層密排面形成的不全位錯b1616171718184.擴展位錯 指一個位錯分解成兩個不全位錯，其中間夾著一片層錯的位錯組態(tài)194.擴展位錯192020擴展位錯的寬度 即擴展位錯中層錯區(qū)的寬度 當不全位錯的相互排斥作用與層錯能γ引起的表面張力平衡時，擴展位錯有一平衡寬度21擴展位錯的寬度215.面角位錯 是固定位錯的一種，兩個滑移面上的位錯滑移相遇后發(fā)生位錯反應，在滑移面相交處形成一處不能滑移的位錯群的組態(tài)225.面角位錯222323全位錯分解領先位錯反應形成面角位錯——（Lomer-Cottrell）24全位錯分解243.2FCC的位錯反應與Thompson記號包括合并（Merging）與分解（Dissociation）位錯反應需滿足幾何條件與能量條件幾何條件能量條件253.2FCC的位錯反應與Thompson記號包括合并（MThompson記號-26Thompson記號-26-27-27Thompson記號的含義四個面：{111}四面體的棱邊：12個全位錯的b=1/2<110>AB,CD,BD…各面頂點與中心連線：24個Shockley位錯的b=1/6<112>.Aγ,Bδ,Dβ…四面體頂點與所對三角形中點連線：8個Frank位錯的b=1/3<111>.Aα,Bβ,Cγ,Dδ.4個面中心相連：壓桿位錯1/6<110>.Αβ,αγ,αδ,βγβδ,γδ.28Thompson記號的含義四個面：{111}28Thompson記號的用途判斷位錯反應判斷不同性質位錯線的方位29Thompson記號的用途判斷位錯反應293.3位錯的運動位錯的運動實現(xiàn)晶體的塑性變形位錯運動的難易決定晶體強度的高低位錯的運動形式滑移攀移交滑移303.3位錯的運動位錯的運動實現(xiàn)晶體的塑性變形301.滑移（Slipping）保守運動位錯在滑移面上滑動滑動所需應力較小311.滑移（Slipping）31刃型位錯的滑移 b//τ⊥ξv//b//τ⊥ξ 滑移面： 唯一：晶體的滑移方向：

32刃型位錯的滑移32螺型位錯的滑移晶體的滑移方向：b//τ//ξ

v⊥(b,τ,ξ)滑移面： 多個；可以是包含位錯線的任意滑移面33螺型位錯的滑移33混合位錯的滑移 位錯線的滑移方向與位錯線處處垂直晶體的滑移方向：34混合位錯的滑移3435352.刃型位錯的攀移(Climbing)位錯在垂直于滑移面方向運動由原子或空位的擴散實現(xiàn)非保守運動（有體積變化）需要的能量大，高溫易激活362.刃型位錯的攀移(Climbing)36攀移與溫度的關系1）攀移阻力單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度）減輕b，引起的體積減少為：設一個空位的體積為b3，則該體積減少對應的空位數(shù)增加為：設單個空位的形成能為u1，則攀移需要的能量為：攀移的阻力為：37攀移與溫度的關系單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度）減輕b，引起的體積減少為：設一個空位的體積為b3，則該體積減少對應的空位數(shù)增加為：設單個空位的形成能為u1，則攀移需要的能量為：攀移的阻力為：38單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度）減輕b，2）攀移的驅動力之一：彈性攀移力（ClimbingForce）拉應力下，負攀移壓應力下，正攀移392）攀移的驅動力拉應力下，負攀移392）攀移的驅動力之二：滲透力（Penetrability）晶體中的過飽和空位或間隙原子滲透并聚集到位錯線上產(chǎn)生刃位錯的正攀移或負攀移，該力稱為滲透力。滲透力與空位或間隙原子的過飽和度有關。402）攀移的驅動力晶體中的過飽和空位或間隙原子滲透并聚集到位錯設單個空位的形成能為u1，晶體中的空位數(shù)為n，原子數(shù)為N，則空位的平衡濃度C0為：空位濃度為C（C>C0）時，空位形成能u1’（u1’<u1）滿足：兩式取對數(shù)相減：41設單個空位的形成能為u1，晶體中的空位數(shù)為n，原子數(shù)為N，考慮攀移阻力有滲透力作用時，攀移阻力為：減小的攀移阻力即為滲透力Fs：溫度越高，空位濃度越大，滲透力越大，刃位錯容易攀移42考慮攀移阻力有滲透力作用時，攀移阻力為：減小的攀移阻力即為滲3.螺型位錯的交滑移指螺型位錯在一個滑移面上受阻時，可以選擇相交的另一滑移面繼續(xù)滑移的行為。雙交滑移：交滑移后再次轉回與原滑移面平行的滑移面上滑移波浪形滑移線433.螺型位錯的交滑移波浪形滑移線43FCC的雙交滑移-44FCC的雙交滑移-44BCC的交滑移——共同滑移方向<111>45BCC的交滑移——共同滑移方向<111>454.擴展位錯的交滑移擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新的滑移面后再次擴展464.擴展位錯的交滑移擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新-擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新的滑移面后再次擴展47-擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新的滑移面后再次擴展擴展位錯的寬度影響其束集層錯能低，寬度大，束集困難，交滑移困難48擴展位錯的寬度影響其束集483.3位錯其他形式作用包括：位錯的增殖位錯的交割帶割階位錯的運動位錯的平面塞積493.3位錯其他形式作用包括：491.位錯增殖（Multiplication）Flank-Read機制螺位錯雙交滑移機制501.位錯增殖（Multiplication）50F-R源51F-R源515252單邊位錯源53單邊位錯源53雙交滑移機制螺位錯雙交滑移后AC，DB成為刃型的割階，在C,D兩點使位錯線CD釘扎，形成了第二個（111）面上的F-R源并不斷釋放新的位錯。54雙交滑移機制螺位錯雙交滑移后AC，DB成為刃型的割階，在C,F-R源+兩個單邊F-R源55F-R源+兩個單邊F-R源552.運動位錯的交割（Jogging）晶體中眾多處于不同滑移面的位錯線在與其他位錯相遇時會相互穿越形成附加的折線（臺階）臺階與原位錯具有相同滑移面時，稱為扭折（Kink）臺階與原位錯滑移面不同時，稱為割階（Jog）562.運動位錯的交割（Jogging）561）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯的交割折線PP’是一割階：b=b2，PP’⊥b2，高度=b1，刃型，滑移面為臺階面此割階可滑移，有阻礙作用571）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯的交割折線PP’是一割階：572）兩柏氏矢量平行的刃型位錯的交割折線PP’，QQ’都是扭折：PP’：b=b2，PP’//b2，高度=b1，螺型，滑移面相同QQ’：b=b1，QQ’//b1，高度=b2，螺型，滑移面相同扭折可滑移，有阻礙作用，最終因線張力作用而消失582）兩柏氏矢量平行的刃型位錯的交割折線PP’，QQ’都是扭折3）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯與螺型位錯的交割折線MM’,NN’均為割階：MM’:b=b1，MM’⊥b1，高度=b2，刃型，滑移面不同，可滑移NN’:b=b2，NN’⊥b2，高度=b1，刃型，滑移面不同，不可滑移593）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯與螺型位錯的交割折線MM’,N4）兩柏氏矢量垂直的螺型位錯的交割均形成刃型臺階，位錯運動阻力增大。604）兩柏氏矢量垂直的螺型位錯的交割均形成刃型臺階，位錯運動阻位錯交割的特點位錯交割產(chǎn)生的臺階的大小與方向由另一位錯柏氏矢量確定；臺階具有原位錯線的柏氏矢量割階的滑移面與原位錯不同，阻礙原位錯滑移作用強（攀移時強），是一刃型臺階，扭折滑移面與原位錯相同，阻礙原位錯滑移作用弱，可以是螺型或者刃型的臺階，可以在線張力作用下消失61位錯交割的特點613.帶割階位錯的運動臺階高度1-2a的小割階異號小割階相向運動對消，同號小割階排斥為間隔一定距離的不動割階（位錯滑動將引起割階攀移，較難）切應力較小或低溫時，割階處的位錯線釘扎，其余位錯線受力彎曲切應力較大或高溫時，割階產(chǎn)生攀移運動與原位錯線一同運動，因此會有空位或間隙原子在割階后留下623.帶割階位錯的運動異號小割階相向運動對消，同號小割階排斥為臺階高度2-20a的中割階割階高度較大，攀移困難。在位錯運動時除原有割階OP外新產(chǎn)生兩段異號刃型位錯OO’與PP’形成位錯偶極，由于相互吸引偶極釋放出一個位錯環(huán)并進一步分成小位錯環(huán)，原位錯重新成為帶割階的位錯63臺階高度2-20a的中割階割階高度較大，攀移困難。在位錯運動臺階高度超過20a的大割階距離很遠的兩端位錯線在各自的滑移面上不受影響地發(fā)展成為單邊位錯源，在滑移面上掃動變形的同時產(chǎn)生位錯的增殖64臺階高度超過20a的大割階距離很遠的兩端位錯線在各自的滑移面4.位錯的平面塞積群可以證明長為L的平面塞積群中位錯的數(shù)目為：塞積群對障礙物的作用力等于障礙物作用于領先位錯處的作用力：654.位錯的平面塞積群可以證明長為L的平面塞積群中位錯的數(shù)目為第三章實際晶體中的位錯行為多種位錯形式多種位錯運動形式多種位錯作用形式66第三章實際晶體中的位錯行為多種位錯形式13.1實際晶體結構中的位錯類型1.全位錯 柏氏矢量等于最短的點陣平移矢量的位錯673.1實際晶體結構中的位錯類型1.全位錯2683全位錯可能會發(fā)生反應包括合并（Merging）與分解（Dissociation）位錯反應需滿足幾何條件與能量條件幾何條件能量條件69全位錯可能會發(fā)生反應4例：70例：5全位錯可通過如上過程變?yōu)閿U展位錯71全位錯可通過如上過程變?yōu)閿U展位錯62.堆垛層錯與不全位錯正常堆垛時無晶體缺陷形成722.堆垛層錯與不全位錯正常堆垛時無晶體缺陷形成7層錯——由于晶體的堆垛次序變化破壞了周期性機構而形成的晶體缺陷。StackingFault(SF)層錯矢量為a/3<111>73層錯——由于晶體的堆垛次序變化破壞了周期性機構而形成的晶體缺層錯能(StackingFaultEnergy.SFE) 指形成單位面積層錯所增加的能量 在數(shù)值上等于相應密排面的表面張力層錯能隨材料種類而不同：通常體心立方的層錯能較高，面心與密排結構的層錯能較低（但Al，Ni特殊）金屬AgAuCuAlNiCoγ(J/cm2)0.020.060.040.20.250.0274層錯能(StackingFaultEnergy.SFE)堆垛層錯的邊界與位錯緊密相連b=a/3<111>75堆垛層錯的邊界與位錯緊密相連b=a/3<111>103.不全位錯 柏氏矢量小于最短的點陣平移矢量的位錯 可分為肖克萊（Shockley）不全位錯與弗蘭克（Frank）不全位錯 以下討論面心立方結構中的不全位錯763.不全位錯11沿密排面滑移形成的不全位錯(ShockleyPartialDislocation)b=a/6<112>77沿密排面滑移形成的不全位錯b=a/6<112>1278137914層錯邊緣為弗蘭克不全位錯插入或抽出半層密排面形成的不全位錯（FrankPartialDislocation）b=a/3<111>80層錯邊緣為弗蘭克不全位錯插入或抽出半層密排面形成的不全位錯b8116821783184.擴展位錯 指一個位錯分解成兩個不全位錯，其中間夾著一片層錯的位錯組態(tài)844.擴展位錯198520擴展位錯的寬度 即擴展位錯中層錯區(qū)的寬度 當不全位錯的相互排斥作用與層錯能γ引起的表面張力平衡時，擴展位錯有一平衡寬度86擴展位錯的寬度215.面角位錯 是固定位錯的一種，兩個滑移面上的位錯滑移相遇后發(fā)生位錯反應，在滑移面相交處形成一處不能滑移的位錯群的組態(tài)875.面角位錯228823全位錯分解領先位錯反應形成面角位錯——（Lomer-Cottrell）89全位錯分解243.2FCC的位錯反應與Thompson記號包括合并（Merging）與分解（Dissociation）位錯反應需滿足幾何條件與能量條件幾何條件能量條件903.2FCC的位錯反應與Thompson記號包括合并（MThompson記號-91Thompson記號-26-92-27Thompson記號的含義四個面：{111}四面體的棱邊：12個全位錯的b=1/2<110>AB,CD,BD…各面頂點與中心連線：24個Shockley位錯的b=1/6<112>.Aγ,Bδ,Dβ…四面體頂點與所對三角形中點連線：8個Frank位錯的b=1/3<111>.Aα,Bβ,Cγ,Dδ.4個面中心相連：壓桿位錯1/6<110>.Αβ,αγ,αδ,βγβδ,γδ.93Thompson記號的含義四個面：{111}28Thompson記號的用途判斷位錯反應判斷不同性質位錯線的方位94Thompson記號的用途判斷位錯反應293.3位錯的運動位錯的運動實現(xiàn)晶體的塑性變形位錯運動的難易決定晶體強度的高低位錯的運動形式滑移攀移交滑移953.3位錯的運動位錯的運動實現(xiàn)晶體的塑性變形301.滑移（Slipping）保守運動位錯在滑移面上滑動滑動所需應力較小961.滑移（Slipping）31刃型位錯的滑移 b//τ⊥ξv//b//τ⊥ξ 滑移面： 唯一：晶體的滑移方向：

97刃型位錯的滑移32螺型位錯的滑移晶體的滑移方向：b//τ//ξ

v⊥(b,τ,ξ)滑移面： 多個；可以是包含位錯線的任意滑移面98螺型位錯的滑移33混合位錯的滑移 位錯線的滑移方向與位錯線處處垂直晶體的滑移方向：99混合位錯的滑移34100352.刃型位錯的攀移(Climbing)位錯在垂直于滑移面方向運動由原子或空位的擴散實現(xiàn)非保守運動（有體積變化）需要的能量大，高溫易激活1012.刃型位錯的攀移(Climbing)36攀移與溫度的關系1）攀移阻力單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度）減輕b，引起的體積減少為：設一個空位的體積為b3，則該體積減少對應的空位數(shù)增加為：設單個空位的形成能為u1，則攀移需要的能量為：攀移的阻力為：102攀移與溫度的關系單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度）減輕b，引起的體積減少為：設一個空位的體積為b3，則該體積減少對應的空位數(shù)增加為：設單個空位的形成能為u1，則攀移需要的能量為：攀移的阻力為：103單位長度位錯線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度）減輕b，2）攀移的驅動力之一：彈性攀移力（ClimbingForce）拉應力下，負攀移壓應力下，正攀移1042）攀移的驅動力拉應力下，負攀移392）攀移的驅動力之二：滲透力（Penetrability）晶體中的過飽和空位或間隙原子滲透并聚集到位錯線上產(chǎn)生刃位錯的正攀移或負攀移，該力稱為滲透力。滲透力與空位或間隙原子的過飽和度有關。1052）攀移的驅動力晶體中的過飽和空位或間隙原子滲透并聚集到位錯設單個空位的形成能為u1，晶體中的空位數(shù)為n，原子數(shù)為N，則空位的平衡濃度C0為：空位濃度為C（C>C0）時，空位形成能u1’（u1’<u1）滿足：兩式取對數(shù)相減：106設單個空位的形成能為u1，晶體中的空位數(shù)為n，原子數(shù)為N，考慮攀移阻力有滲透力作用時，攀移阻力為：減小的攀移阻力即為滲透力Fs：溫度越高，空位濃度越大，滲透力越大，刃位錯容易攀移107考慮攀移阻力有滲透力作用時，攀移阻力為：減小的攀移阻力即為滲3.螺型位錯的交滑移指螺型位錯在一個滑移面上受阻時，可以選擇相交的另一滑移面繼續(xù)滑移的行為。雙交滑移：交滑移后再次轉回與原滑移面平行的滑移面上滑移波浪形滑移線1083.螺型位錯的交滑移波浪形滑移線43FCC的雙交滑移-109FCC的雙交滑移-44BCC的交滑移——共同滑移方向<111>110BCC的交滑移——共同滑移方向<111>454.擴展位錯的交滑移擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新的滑移面后再次擴展1114.擴展位錯的交滑移擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新-擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新的滑移面后再次擴展112-擴展位錯先行束集，以全位錯形式交滑移到新的滑移面后再次擴展擴展位錯的寬度影響其束集層錯能低，寬度大，束集困難，交滑移困難113擴展位錯的寬度影響其束集483.3位錯其他形式作用包括：位錯的增殖位錯的交割帶割階位錯的運動位錯的平面塞積1143.3位錯其他形式作用包括：491.位錯增殖（Multiplication）Flank-Read機制螺位錯雙交滑移機制1151.位錯增殖（Multiplication）50F-R源116F-R源5111752單邊位錯源118單邊位錯源53雙交滑移機制螺位錯雙交滑移后AC，DB成為刃型的割階，在C,D兩點使位錯線CD釘扎，形成了第二個（111）面上的F-R源并不斷釋放新的位錯。119雙交滑移機制螺位錯雙交滑移后AC，DB成為刃型的割階，在C,F-R源+兩個單邊F-R源120F-R源+兩個單邊F-R源552.運動位錯的交割（Jogging）晶體中眾多處于不同滑移面的位錯線在與其他位錯相遇時會相互穿越形成附加的折線（臺階）臺階與原位錯具有相同滑移面時，稱為扭折（Kink）臺階與原位錯滑移面不同時，稱為割階（Jog）1212.運動位錯的交割（Jogging）561）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯的交割折線PP’是一割階：b=b2，PP’⊥b2，高度=b1，刃型，滑移面為臺階面此割階可滑移，有阻礙作用1221）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯的交割折線PP’是一割階：572）兩柏氏矢量平行的刃型位錯的交割折線PP’，QQ’都是扭折：PP’：b=b2，PP’//b2，高度=b1，螺型，滑移面相同QQ’：b=b