材料科學(xué)基礎(chǔ)付華課件 4-2-5.6.7節(jié) 晶體缺陷-位錯作用增殖與實際位錯

1*材料科學(xué)基礎(chǔ)FundamentalsofMaterialsScience石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)系：付華聯(lián)系電話Q:1115279899

0緒論第1章原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵AtomicStructureandbindingbond第2章晶體學(xué)基礎(chǔ)BasisofCrystallography第3章晶體結(jié)構(gòu)CrystalStructure第4章晶體缺陷Crystaldefects第5章非晶體與準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)AmorphousandQuasicrystalStructure第6章相圖PhaseDiagram第7章固體擴散SolidDiffusion第8章凝固與結(jié)晶SolidificationandCrystallization第9章燒結(jié)與聚合SinteringandPolymerization第10章

固態(tài)

相變SolidPhaseTransformation

材料科學(xué)與工藝

的基礎(chǔ)理論第4章晶體缺陷Chapter4CrystalDefect4.1點缺陷（Pointdefect）4.1.1點缺陷的類型4.1.2點缺陷的濃度4.1.3點缺陷對材料性能的影響4.2線缺陷（Linedefects）4.2.1位錯的類型4.2.2柏氏矢量4.2.3位錯的運動4.2.4位錯的應(yīng)力場4.2.5位錯與晶體缺陷間的交互作用4.2.6位錯的增殖與塞積4.2.7實際晶體中的位錯4.3面缺陷

(Surfacedefects)4.3.1晶體表面4.3.2晶界結(jié)構(gòu)與能量4.3.3單相多晶體中的晶粒形貌4.3.4晶界偏析與晶界遷移4.3.5相界位錯移出晶體表面時在表面上產(chǎn)生b大小的臺階。

復(fù)習(xí)

5螺位錯應(yīng)力場：沒有正應(yīng)力分量，只有切應(yīng)力分量。刃位錯應(yīng)力場：小結(jié)：位錯的應(yīng)力場6一對平行刃位錯和螺位錯的應(yīng)力場：無相同的應(yīng)力分量

一、位錯間的交互作用

2.一對平行螺位錯的交互作用1.一對平行刃位錯的交互作用二、位錯與點缺陷的交互作用

3.一對平行刃位錯和螺位錯的交互作用4.混合位錯間的交互作用5.非平行位錯間的交互作用原則？第五節(jié)位錯與晶體缺陷間的交互作用Interactionsbetweendislocationsandcrystaldefects

8一、位錯間的交互作用Interactionsbetweendislocations

每條位錯線周圍存在應(yīng)力場，對附近其它位錯有復(fù)雜的作用和影響。（簡單情況的討論—平行位錯）1.一對平行刃位錯的交互作用位錯墻

102.一對平行螺位錯的交互作用左左左右F沿r方向。共有面可作為滑移面。同號螺位錯，互相排斥；

異號螺位錯，互相吸引/中和而消失。（降低位錯能?。?.一對平行刃位錯和螺位錯的交互作用：無相同的應(yīng)力分量，無相互作用。4.混合位錯間的交互作用：5.非平行位錯間的交互作用：短程交互作用（位錯的交割，第六節(jié)）。分解為2個刃位錯和2個螺位錯間的相互作用，疊加。二、位錯與點缺陷的交互作用點缺陷的應(yīng)力場與位錯應(yīng)力場交互作用－－使點缺陷與位錯特定分布，降低自由能。(一）√

Controll氣團：刃位錯（二）Snoeck氣團：螺位錯（三）鈴木氣團：層錯附近溶質(zhì)原子在刃位錯附近聚集，形成原子集團。(一）Controll氣團大/小置換原子？？間隙原子？？15點缺陷產(chǎn)生球形對稱畸變的情況：溶質(zhì)原子在刃位錯附近聚集，形成小原子集團。(一）Controll氣團假設(shè)晶體為彈性的連續(xù)介質(zhì)，內(nèi)有一刃位錯b，挖掉一半徑為R0的小洞（溶劑或間隙半徑），填入一半徑為R的溶質(zhì)原子。此時引起徑向位移，＝（R-R0)/R0。在產(chǎn)生徑向位移過程中位錯應(yīng)力場做功。2.大置換原子：？？？？大溶質(zhì)原子位于滑移面下方（正刃位錯受拉部分）是穩(wěn)定的狀態(tài)。3.小置換原子：????小溶質(zhì)原子位于滑移面上方（刃位錯受壓縮部分）比較穩(wěn)定。4.間隙原子？？？？溶質(zhì)原子云集在位錯線附近,形成小原子集團，稱為Cottrell氣團。（柯氏氣團）Cottrell氣團的作用：對運動的位錯起釘扎作用，→→→固溶強化。20鋼中的C和N在位錯周圍形成Cottrell氣團,影響鋼的性能。

固溶強化。ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSCiArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf21鋼中的C和N在位錯周圍形成Cottrell氣團,影響鋼的性能。位錯中速運動時，強迫拖著氣團一起運動，阻力最大。Cottrell氣團的作用：對運動的位錯起釘扎作用，→→→固溶強化。ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSCiArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf22位錯切過粒子位錯繞過粒子23第三章晶體結(jié)構(gòu)缺陷第一節(jié)點缺陷

第二節(jié)位錯的結(jié)構(gòu)

第三節(jié)位錯的運動

第四節(jié)位錯的應(yīng)力場

第五節(jié)位錯與晶體缺陷間的交互作用

第六節(jié)位錯的增殖、塞積與交割

第七節(jié)實際晶體中的位錯

Interactionsbetweendislocationsandcrystaldefects

Proliferation,pile-upandintersectionofdislocationsDislocationsinactualcrystals一、位錯的增殖Proliferation動畫晶體每滑移一個b，就應(yīng)該有一個位錯消失，金屬塑變后位錯ρ應(yīng)減小。而金屬塑變后位錯ρ增加了。第六節(jié)位錯的增殖、塞積與交割

Proliferation,pile-upandintersectionofdislocations1)Frank-Read源增殖機制2)雙交滑移增殖機制晶體塑性變形過程中位錯發(fā)生了增殖。目前被普遍接受的位錯增殖機制是Frank-Read提出的機制。3)空位聚集形成位錯位錯運動126（一）Frank-Read源增殖機制27（一）Frank-Read源增殖機制Frank-Read源動畫（一）Frank-Read源增殖機制m、n處為異號位錯相消，產(chǎn)生一位錯環(huán)，內(nèi)部DD′段還存在。動畫Si單晶中的F-R源位錯繞過動畫動畫-位錯切過F-R源開動時，位錯彎曲的最小曲率半徑是l/2.位錯張力：

=Gb/2R，R=l/2,最大分切應(yīng)力：

=Gb/l。l?1μm，b?0.1nm，故

?10-4

G。接近晶體的屈服應(yīng)力。（二）雙交滑移增殖機制（動畫）交滑移：螺位錯在某一滑移面的滑移受阻時，位錯離開原滑移面到與其相交的其他滑移面繼續(xù)滑移。雙交滑移：已交滑移的螺位錯再一次交滑移到與原滑移面平行的滑移面繼續(xù)滑移。33SiC中的螺位錯生長：螺旋長大臺階，提供原子附著的有利位置。34(三）空位聚集形成位錯

位錯滑移時，在滑移面上遇到障礙物(如晶界、硬質(zhì)點……)，將塞積在障礙物的前面。

若同一位錯源不斷產(chǎn)生一系列位錯，產(chǎn)生塞積群。二、位錯的塞積

Pile-up，blocking

位錯塞積的后果位錯塞積→應(yīng)力集中→形成裂紋(斷裂力學(xué)中裂紋的萌生機理之一）

？？減輕位錯塞積的后果—減小應(yīng)力集中：螺位錯可改變滑移面而發(fā)生交滑移；位錯塞積在晶界處的應(yīng)力集中可開動相鄰晶粒的位錯滑移來松弛應(yīng)力集中。三、位錯的交割

intersectionofdislocations兩刃位錯交割1.2個垂直刃位錯交割CD上產(chǎn)生pp’割階，長度b1，

柏氏矢量仍是b2。短程交互作用pp’的滑移面是Ⅰ，不是原滑移面Ⅱ。不位于原滑移面上的位錯臺階－－割階。割階成為位錯運動的阻礙。b2∥AB，位錯CD的滑移不在AB產(chǎn)生割階。兩個位錯交割后，會產(chǎn)生位錯臺階，自身柏氏矢量不變，臺階大小取決于另一位錯的b值。

仍在原滑移面上的位錯臺階為扭折。(PP’和QQ’)在線張力作用下，扭折會自動消失，CD,AB恢復(fù)直線,或以相同滑移方向一起滑移。2.2個b平行刃位錯交割PP’/QQ’螺位錯（二）刃位錯與螺位錯的交割PP’為刃位錯，割階。QQ’為刃位錯，扭折。小結(jié)：2.不位于原滑移面上的位錯臺階-----割階。仍在原滑移面上的位錯臺階----扭折。兩位錯交割，會產(chǎn)生臺階，自身柏氏矢量b不變，臺階大小取決于另一位錯的b值。3.

割階和扭折使位錯線長度增加，能量增加。交割I(lǐng)ntersection過程成為位錯運動的阻礙。43離散位錯動力學(xué)模擬，位錯的產(chǎn)生，湮滅，交互作用。實際晶體（fcc，bcc，hcp）中的位錯更復(fù)雜。位錯的柏氏矢量b要滿足：（1）晶體結(jié)構(gòu)條件：連接原子的平衡位置。（2）能量條件：Eb2，b要小。第七節(jié)實際晶體中的位錯一、全位錯與不全位錯全位錯----柏氏矢量等于點陣矢量的位錯。部分位錯－－柏氏矢量小于點陣矢量的。不全位錯----柏氏矢量不等于點陣矢量的位錯。單位位錯----b為最短點陣矢量的位錯。單位位錯能量最低，最穩(wěn)定。？48

fcc和hcp密排面的堆垛方式

hcp:ABABAB…fcc:ABCABC…b=<110>a/2b=<112>a/6BCAb=<110>a/2BCA全位錯滑移時，不破壞上下原子排列的完整性，滑移區(qū)與未滑移區(qū)有相同的晶體結(jié)構(gòu)。（完整位錯）1、全位錯BBb=<112>a/6BCA2、不全位錯不全位錯滑移，破壞上下原子排列的完整性，滑移區(qū)原子錯排。BCC堆垛層錯：正常堆垛順序被破壞。54堆垛層錯堆垛層錯的形成有2種方法。一種方法：滑移層錯通過在一層(111)上下兩層面分別滑動a/6<112>形成。Shockley不全位錯b=a/6.<112>BCBBCAShockley不全位錯b=a/6.<112>堆垛層錯不全位錯不全位錯57擴展位錯:fcc中全位錯分解為2個shockley不全位錯,這2個不全位錯間夾著一片層錯－－－擴展位錯。擴展位錯→→不全位錯+堆垛層錯+不全位錯58不銹鋼中的擴展位錯變形Cu-Al合金F：堆垛層錯59層錯能-----產(chǎn)生單位面積的層錯所需能量.層錯是一種晶體缺陷，破壞了晶體排列的周期性，引起能量升高。層錯能（高/低）-----（難/易）產(chǎn)生層錯？表某些金屬和合金的層錯能金屬NiAlCuAuAg黃銅不銹鋼層錯能/J·cm-2

40×10-6

20×10-6

7×10-6

6.6×10-6

2×10-6

3.5×10-6

1.3×10-6

60不銹鋼中的擴展位錯變形Cu-Al合金F：堆垛層錯61擴展位錯的平衡寬度：d=Gb1b2/2擴展位錯的平衡寬度與層錯能成反比：層錯能低（不銹鋼，－黃銅）：寬的擴展位錯層錯能高（鋁）：窄的擴展位錯擴展位錯整體滑移引起的變形和一個全位錯滑移的效果相同。第二種堆垛層錯形成方法：抽去(插入)一層密排面。抽去一層（A層），…ABC┇BCABC…在C┇B處發(fā)生層錯,在層錯處出現(xiàn)了hcp排列（即ABAB排列）插入一層面(111)，…ABC┇B┇ABC…在C┇B┇A處發(fā)生層錯.

Franker不全位錯：層錯矢量是?層錯矢量是：b=a/3<111>;純?nèi)形诲e特點：b=a/3<111>和｛111｝面垂直。純?nèi)形诲e。b垂直于滑移面，不是fcc晶體的滑移方向，不能滑移，只可攀移。

Shockley不全位錯：不均勻滑移a/6<112>造成的不全位錯?？梢允侨形诲e、螺位錯或混和位錯。b在滑移面上，可以滑移。Franker不全位錯：二、位錯反應(yīng)位錯之間相互轉(zhuǎn)化（分解，合并，重組）：(1)幾何條件：柏氏矢量守恒。b前＝b后。(2)能量條件：反應(yīng)后位錯的總能量降低。b2前>b2后。(1)位錯分解：fcc中：全位錯分解為2個shockley不全位錯。(2)位錯合并：fcc中：1個shockley和1個Franker