第二章-晶體結(jié)構(gòu)缺陷-武漢理工大學(xué)綜述

第二章-晶體結(jié)構(gòu)缺陷--武漢理工大學(xué)綜述第一頁，共40頁。一、晶體的塑性和強度二、位錯的類型三、位錯的伯格斯矢量（Burgersvector）及位錯的性質(zhì)

四、位錯的應(yīng)力場與應(yīng)變能五、位錯的運動六、位錯的反應(yīng)第二頁，共40頁。一、晶體的塑性和強度（一）完整晶體的塑性變形方式1.晶體在外力作用下的滑移2.晶體在外力作用下的孿生（二）完整晶體的理論切變強度第三頁，共40頁。（一）完整晶體的塑性變形方式1.晶體在外力作用下的滑移（圖２－６）滑移的定義：在外力作用下，一部分相對另一部分（晶面、晶向）的平移。滑移的結(jié)果：塑性變形，表面形成臺階滑移的可能性（滑移系統(tǒng)）：在最密排晶面（稱為滑移面）的最密排晶向（稱為滑移方向）上進行。晶體滑移的臨界分切應(yīng)力（c）：開動晶體滑移系統(tǒng)所需的最小分切應(yīng)力。2.晶體在外力作用下的孿生在外力作用下，晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定的晶面和晶向發(fā)生切變，切變之后，兩部分晶體的位向以切變面為鏡面呈對稱關(guān)系。第四頁，共40頁。圖2-6外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）ττ1.晶體在外力作用下的滑移（圖２－６）滑移的可能性（滑移系統(tǒng)）：在最密排晶面（稱為滑移面）的最密排晶向（稱為滑移方向）上進行。晶體滑移的臨界分切應(yīng)力（c）：開動晶體滑移系統(tǒng)所需的最小分切應(yīng)力?；频亩x：在外力作用下，一部分相對另一部分（晶面、晶向）的平移?；频慕Y(jié)果：塑性變形，表面形成臺階。第五頁，共40頁。圖2-7單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）

（a）變形前（b）變形后第六頁，共40頁。

圖2-8面心立方晶體（111）孿生示意圖

(b)（）晶面：孿生過程中（111）晶面的移動情況(a)孿生面、孿生方向的方位2.晶體在外力作用下的孿生在外力作用下，晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定的晶面和晶向發(fā)生切變，切變之后，兩部分晶體的位向以切變面為鏡面呈對稱關(guān)系。第七頁，共40頁。（二）完整晶體的理論切變強度按照完整晶體滑移模型，使晶體滑移所需的臨界切應(yīng)力，即使整個滑移面的原子從一個平衡位置移動到另一個平衡位置時，克服能壘所需要的切應(yīng)力，晶面間的滑移是滑移面上所有原子整體協(xié)同移動的結(jié)果，這樣可以把晶體的相對滑移簡化為兩排原子間的滑移，晶體的理論切變強度m為：

Gx/a=msin（2x/）=m2x/

當(dāng)x很小時，于是，m=G/（2a）對于簡單立方晶體，a=，則m=G/（2）第八頁，共40頁。滑移機理

所施加的力必須足以使原子間的鍵斷裂，才能產(chǎn)生滑移壓力大小約為E/15F第九頁，共40頁。二、位錯的類型晶體在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根據(jù)原子的滑移方向和位錯線取向的幾何特征不同，位錯分為刃位錯、螺位錯和混合位錯。第十頁，共40頁。（一）刃位錯形成及定義（圖2-11）：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF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，即刃位錯（或棱位錯）。幾何特征：位錯線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。分類：正刃位錯，“”；負刃位錯，“T”。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。第十一頁，共40頁。圖2-11刃位錯示意圖

第十二頁，共40頁。GHEF刃型位錯示意圖：(a)立體模型;(b)平面圖

晶體局部滑移造成的刃型位錯第十三頁，共40頁。（二）螺位錯形成及定義（圖2-12）：晶體在外加剪應(yīng)力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺位錯。幾何特征：位錯線與原子滑移方向相平行；位錯線周圍原子的配置是螺旋狀的。分類：有左、右旋之分，分別以符號“”和“”表示。其中小圓點代表與該點垂直的位錯，旋轉(zhuǎn)箭頭表示螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。它們之間符合左手、右手螺旋定則。第十四頁，共40頁。圖2-12螺位錯形成示意圖第十五頁，共40頁。CBAD(b)

螺型位錯示意圖:（a）立體模型；（b）平面圖ABCD(a)第十六頁，共40頁。圖2-13（b）螺位錯滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況（a）與螺位錯垂直的晶面的形狀第十七頁，共40頁。螺型位錯示意圖第十八頁，共40頁。在外力作用下，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交線既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯稱為混合位錯。如圖2-14所示。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。晶體中位錯線的形狀可以是任意的，但位錯線上各點的伯氏矢量相同，只是各點的刃型、螺型分量不同而已。（三）混合位錯第十九頁，共40頁。圖2-14（a）混合位錯的形成（b）混合位錯分解為刃位錯和螺位錯示意圖（c）混合位錯線附近原子滑移透視圖第二十頁，共40頁。三、位錯的伯格斯矢量（Burgersvector）

及位錯的性質(zhì)

伯格斯矢量：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)點的相對位移或畸變。性質(zhì)：大小表征了位錯的單位滑移距離，方向與滑移方向一致。第二十一頁，共40頁。（一）伯格斯矢量的確定及表示1.確定伯格斯矢量的步驟（1）對于給定點的位錯，人為規(guī)定位錯線的方向，如圖2-15所示。（2）

用右手螺旋定則確定伯格斯回路方向。（3）按照圖2-15所示的規(guī)律走回路，最后封閉回路的矢量即要求的伯氏矢量。2.伯氏矢量的表示方法

b=ka[uvw]第二十二頁，共40頁。圖2-15簡單立方結(jié)構(gòu)中，圍繞刃位錯的伯格斯回路第二十三頁，共40頁。（二）伯氏矢量的守恒性對一條位錯線而言，其伯氏矢量是固定不變的，此即位錯的伯氏矢量的守恒性。推論：

1.一條位錯線只有一個伯氏矢量。2.如果幾條位錯線在晶體內(nèi)部相交（交點稱為節(jié)點），則指向節(jié)點的各位錯的伯氏矢量之和，必然等于離開節(jié)點的各位錯的伯氏矢量之和。第二十四頁，共40頁。（三）位錯線的連續(xù)性及位錯密度1.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界或晶體表面。2.位錯密度：單位體積內(nèi)位錯線的總長度ρ=L/V式中L為晶體長度，n為位錯線數(shù)目，S晶體截面積。一般退火金屬晶體中為104~108cm-2數(shù)量級，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，為1012~1014cm-2.第二十五頁，共40頁。四、位錯的應(yīng)力場與應(yīng)變能理論基礎(chǔ)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型(固體彈性理論)假設(shè)：1.完全服從虎克定律，即不存在塑性變形；2.各向同性；3.連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。方法：建立力學(xué)模型（見書上p116、p117）根據(jù)固體彈性理論，建立平衡方程、虎克定律、應(yīng)變和位移關(guān)系三個方程根據(jù)初始條件求解第二十六頁，共40頁。螺位錯的連續(xù)介質(zhì)模型刃位錯的連續(xù)介質(zhì)模型第二十七頁，共40頁。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;刃位錯下面的原子處于張應(yīng)力狀態(tài)，為張應(yīng)力場;垂直于位錯線的任一截面上應(yīng)力分量均相同。

圍繞一個螺位錯的晶體圓柱體區(qū)域也有應(yīng)力場存在,只有切應(yīng)力分量，切應(yīng)力分量是軸對稱的，正應(yīng)力分量全為0，螺位錯不引起晶體的膨脹或收縮。

各應(yīng)力分量的大小與伯氏矢量的模成正比。第二十八頁，共40頁。位錯的應(yīng)變能Wtot

位錯使其周圍點陣畸變，點陣能量增加，點陣所增加的能量即為位錯的應(yīng)變能。包括兩部分：Wtot=Wcore+Wel位錯核心能彈性應(yīng)變能（1）位錯核心能Wcore，在位錯核心幾個原子間距r0

=2|b|=2b以內(nèi)的區(qū)域，滑移面兩側(cè)原子間的錯排能即相當(dāng)于位錯核心能。錯排能約占位錯能的1/10，可忽略。（2）彈性應(yīng)變能Wel

，在位錯核心區(qū)以外，長程應(yīng)力場作用范圍所具有的能量，約占位錯能的9/10。第二十九頁，共40頁?？傊海?）位錯的彈性應(yīng)變能WellnR，即隨R緩慢地增加，所以位錯具有長程應(yīng)力場。（R圓筒的外徑）（2）位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，直線位錯更穩(wěn)定。（3）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：W=Gb2。式中W為單位長度位錯線的彈性應(yīng)變能，G是剪切模量，b是柏氏矢量，α=1/4πl(wèi)nR/r0其中r0是位錯核心的半徑，系數(shù)由位錯的類型、密度（R值）決定，其值的范圍為0.5~1.0。意義：上式表明W∝b2，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。第三十頁，共40頁。五、位錯的運動位錯的滑移：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。位錯的攀移：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)致空位或間隙原子的增值或減少。第三十一頁，共40頁。（一）位錯的滑移1.位錯滑移的機理（圖2-16）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。圖2-16刃位錯的滑移（a）正刃位錯滑移方向與外力方向相圖（b）負刃位錯滑移方向與外力方向相反第三十二頁，共40頁。ττ位錯運動示意第三十三頁，共40頁。刃位錯的運動螺位錯的運動混合位錯的運動第三十四頁，共40頁。2.位錯的滑移特點（1）刃位錯滑移方向與外力及伯氏矢量b平行，正、負刃位錯滑移方向相反。（2）螺位錯滑移方向與外力及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位錯滑移方向相反，理論上包含位錯線的任何平面都是滑移面，實際上還受到晶體學(xué)條件的限制。（3）混合位錯滑移方向與外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位錯線法線方向滑移）。（4）晶體的滑移方向與外力及位錯的伯氏矢量b相一致，但并不一定與位錯的滑移方向相同。第三十五頁，共40頁。（二）位錯的攀移位錯的攀移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)致晶體中空位或間隙質(zhì)點的增殖或減少。刃位錯除了滑移外，還可進行攀移運動。攀移的實質(zhì)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。第三十六頁，共40頁。圖2-17刃位錯攀移示意圖（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負攀移（半原子面伸長）第三十七頁，共40頁。位錯的攀移力（使位錯發(fā)生攀移運動的力）包括：（1）化學(xué)攀移力Fs，是指不平衡空位濃度施加給位錯攀移的驅(qū)動力。（2）彈性攀移力Fc，是指作用于半原子面上的正應(yīng)力分量作用下，刃位錯所受的力。位錯攀移的激活能Uc由割階形成的激活