实际晶体中的位错解析课件.ppt

1、1 1第三章第三章 实际晶体中的位错行为实际晶体中的位错行为多种位错形式多种位错形式多种位错运动形式多种位错运动形式多种位错作用形式多种位错作用形式2 23.1 实际晶体结构中的位错类型实际晶体结构中的位错类型1.全位错全位错柏氏矢量等于最短的点阵平移矢量的柏氏矢量等于最短的点阵平移矢量的位错位错4 4全位错可能会发生反应全位错可能会发生反应包括合并（包括合并（Merging）与分解）与分解（Dissociation）位错反应需满足几何条件与能量条件位错反应需满足几何条件与能量条件几何条件几何条件能量条件能量条件beforeafterbb22beforeafterbb5 5例：例：6 6全位错

2、可通过全位错可通过如上过程变为如上过程变为扩展位错扩展位错110121211266aaa7 72.堆垛层错与不全位错堆垛层错与不全位错正常堆垛时无晶体缺陷形成正常堆垛时无晶体缺陷形成8 8层错层错由于晶体的堆垛次序变化破坏了由于晶体的堆垛次序变化破坏了周期性机构而形成的晶体缺陷。周期性机构而形成的晶体缺陷。Stacking Fault(SF)层错矢量为层错矢量为a/39 9层错能层错能(Stacking Fault Energy.SFE)指形成单位面积层错所增加的能量指形成单位面积层错所增加的能量在数值上等于相应密排面的表面张力在数值上等于相应密排面的表面张力层错能随材料种类而不同：层错能随材

3、料种类而不同：通常体心立方的层错能较高，面心与密排通常体心立方的层错能较高，面心与密排结构的层错能较低（但结构的层错能较低（但Al，Ni特殊）特殊）金属金属Ag AuCuAlNiCo(J/cm2)0.02 0.06 0.04 0.20.250.021010堆垛层错的边界与位错紧密相连堆垛层错的边界与位错紧密相连b=a/311113.不全位错不全位错柏氏矢量小于最短的点阵平移矢量的柏氏矢量小于最短的点阵平移矢量的位错位错可分为肖克莱（可分为肖克莱（Shockley）不全位）不全位错与弗兰克（错与弗兰克（Frank）不全位错）不全位错以下讨论面心立方结构中的不全位错以下讨论面心立方结构中的不全位错

4、1212沿密排面滑移形成沿密排面滑移形成的不全位错的不全位错(Shockley Partial Dislocation)b=a/6131314141515层错边缘为弗兰克不全位错层错边缘为弗兰克不全位错插入或抽出半层密排面形成的不全位错插入或抽出半层密排面形成的不全位错 （Frank Partial Dislocation）b=a/316161717181819194.扩展位错扩展位错指一个位错分解成指一个位错分解成两个不全位错，其两个不全位错，其中间夹着一片层错中间夹着一片层错的位错组态的位错组态20202121扩展位错的宽度扩展位错的宽度即扩展位错中层错区的宽度即扩展位错中层错区的宽度当不

5、全位错的相互排斥作用与层错能当不全位错的相互排斥作用与层错能引引起的表面张力平衡时，扩展位错有一平起的表面张力平衡时，扩展位错有一平衡宽度衡宽度22221cos8128GbvvGbdKvv 22225.面角位错面角位错是固定位错的一种，两个滑移面上的位是固定位错的一种，两个滑移面上的位错滑移相遇后发生位错反应，在滑移面错滑移相遇后发生位错反应，在滑移面相交处形成一处不能滑移的位错群的组相交处形成一处不能滑移的位错群的组态态23232424全位错分解全位错分解领先位错反应领先位错反应形成面角位错形成面角位错（Lomer-Cottrell）110121211266101211112266aaaaa

6、a121112011666aaa11010121101121122666aaaaaSFSF25253.2 FCC的位错反应与的位错反应与Thompson记号记号包括合并（包括合并（Merging）与分解）与分解（Dissociation）位错反应需满足几何条件与能量条件位错反应需满足几何条件与能量条件几何条件几何条件能量条件能量条件beforeafterbb22beforeafterbb2626Thompson记号记号-2727-2828Thompson记号的含义记号的含义四个面四个面：111四面体的棱边：四面体的棱边：12个全位错的个全位错的b=1/2 AB,CD,BD各面顶点与中心连线：各

7、面顶点与中心连线：24个个Shockley位位错的错的b=1/6.A,B,D四面体顶点与所对三角形中点连线：四面体顶点与所对三角形中点连线：8个个Frank位错的位错的b=1/3.A,B,C,D.4个面中心相连：压杆位错个面中心相连：压杆位错1/6.,.2929Thompson记号的用途记号的用途判断位错反应判断位错反应判断不同性质位错线的方位判断不同性质位错线的方位30303.3 位错的运动位错的运动位错的运动实现晶体的塑性变形位错的运动实现晶体的塑性变形位错运动的难易决定晶体强度的高低位错运动的难易决定晶体强度的高低位错的运动形式位错的运动形式滑移滑移攀移攀移交滑移交滑移31311.滑移（

8、滑移（Slipping）保守运动保守运动位错在滑移面上滑动位错在滑移面上滑动滑动所需应力较小滑动所需应力较小3232刃型位错的滑移刃型位错的滑移b/v/b/滑移面：滑移面：唯一：唯一：晶体的滑移方向：晶体的滑移方向：nb b3333螺型位错的滑移螺型位错的滑移晶体的滑移方向：晶体的滑移方向：b/v (b,)滑移面：滑移面：多个；多个；可以是包含位错线可以是包含位错线的任意滑移面的任意滑移面b3434混合位错的滑移混合位错的滑移位错线的滑移方向与位错线处处垂直位错线的滑移方向与位错线处处垂直晶体的滑移方向：晶体的滑移方向：b353536362.刃型位错的攀移刃型位错的攀移(Climbing)位错

9、在垂直于滑移面方向运动位错在垂直于滑移面方向运动由原子或空位的扩散实现由原子或空位的扩散实现非保守运动（有体积变化）非保守运动（有体积变化）需要的能量大，高温易激活需要的能量大，高温易激活3737攀移与温度的关系攀移与温度的关系1）攀移阻力）攀移阻力Vdl b单位长度位错线产生正攀移单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度），在此高度上畸变（厚度）减轻减轻b，引起的体积减少为：，引起的体积减少为：设一个空位的体积为设一个空位的体积为b3，则该，则该体积减少对应的空位数增加为：体积减少对应的空位数增加为：设单个空位的形成能为设单个空位的形成能为u1，则，则攀移需要的能量为：攀移需要的能

10、量为：攀移的阻力为：攀移的阻力为：32VdldNbb211dldudN uub120,0rruduFdlbdlF 3838Vdl b单位长度位错线产生正攀移单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚，在此高度上畸变（厚度）减轻度）减轻b，引起的体积减少为：，引起的体积减少为：设一个空位的体积为设一个空位的体积为b3，则该体积减少对应的空位，则该体积减少对应的空位数增加为：数增加为：设单个空位的形成能为设单个空位的形成能为u1，则攀移需要的能量为：，则攀移需要的能量为：攀移的阻力为：攀移的阻力为：32VdldNbb211dldudN uub120,0rruduFdlbdlF 39392）攀

11、移的驱动力）攀移的驱动力之一：弹性攀移力之一：弹性攀移力（Climbing Force）0,00,0yxxxxyxxyFbFF 拉应力下，负攀移拉应力下，负攀移压应力下，正攀移压应力下，正攀移40402）攀移的驱动力）攀移的驱动力之二：渗透力（之二：渗透力（Penetrability）晶体中的过饱和空位或晶体中的过饱和空位或间隙原子渗透并聚集到间隙原子渗透并聚集到位错线上产生刃位错的位错线上产生刃位错的正攀移或负攀移，该力正攀移或负攀移，该力称为渗透力。称为渗透力。渗透力与空位或间隙原渗透力与空位或间隙原子的过饱和度有关。子的过饱和度有关。4141设单个空位的形成能为设单个空位的形成能为u1，

12、晶体中的空位，晶体中的空位数为数为n，原子数为，原子数为N，则空位的平衡浓度，则空位的平衡浓度C0为：为：10exp()unCNkT空位浓度为空位浓度为C（C C0）时，空位形成能）时，空位形成能u1（u1 u1）满足：满足：1exp()unCNkT两式取对数相减：两式取对数相减：110011011lnlnlnlnuuCCkTkTCuuCkTCuukTC 4242考虑攀移阻力考虑攀移阻力120,0rruduFdlbdlF 有渗透力作用时，攀移阻力为：有渗透力作用时，攀移阻力为：12ruFb 减小的攀移阻力即为渗透力减小的攀移阻力即为渗透力Fs：112202201lnlnuuFsbbCkTCFs

13、kTbCbC 温度越高，空位浓度越大，渗透力越大，刃位错容易攀移温度越高，空位浓度越大，渗透力越大，刃位错容易攀移43433.螺型位错的交滑螺型位错的交滑移移指螺型位错在一个滑移指螺型位错在一个滑移面上受阻时，可以选择面上受阻时，可以选择相交的另一滑移面继续相交的另一滑移面继续滑移的行为。滑移的行为。双交滑移：交滑移后再双交滑移：交滑移后再次转回与原滑移面平行次转回与原滑移面平行的滑移面上滑移的滑移面上滑移波浪形滑移线波浪形滑移线4444FCC的双交滑移的双交滑移-4545BCC的交滑移的交滑移共同滑移方向共同滑移方向46464.扩展位错的交滑移扩展位错的交滑移(111):2111211106

14、62(111):110121211266BCBCaaaBCBCaaa扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展的滑移面后再次扩展4747-(111):211121110662(111):110121211266BCBCaaaBCBCaaa扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展的滑移面后再次扩展4848扩展位错的宽度影响其束集扩展位错的宽度影响其束集层错能低，宽度大，束集困难，交滑移困难层错能低，宽度大，束集困难，交滑移困难22221cos8128GbvvGbdKvv 49493.

15、3 位错其他形式作用位错其他形式作用包括：包括：位错的增殖位错的增殖位错的交割位错的交割带割阶位错的运动带割阶位错的运动位错的平面塞积位错的平面塞积50501.位错增殖（位错增殖（Multiplication）Flank-Read机制机制螺位错双交滑移机制螺位错双交滑移机制5151F-R源源22min12222,ccTGbGbfrfGbbrGbGbrL 开动F-R源5252222 sin21222dTFTdTfdsdsdsrTGbGbfrfGbbr 5353单边位错源单边位错源5454双交滑移机制双交滑移机制螺位错双交滑移后螺位错双交滑移后AC，DB成为刃型的割阶，在成为刃型的割阶，在C,D两

16、点使位错线两点使位错线CD钉扎，形成了第二个（钉扎，形成了第二个（111）面上的面上的F-R源并不断释放新的位错。源并不断释放新的位错。5555F-R源源+两个单边两个单边F-R源源56562.运动位错的交割（运动位错的交割（Jogging）晶体中众多处于不同滑移面的位错线在与晶体中众多处于不同滑移面的位错线在与其他位错相遇时会相互穿越形成附加的折其他位错相遇时会相互穿越形成附加的折线（台阶）线（台阶）台阶与原位错具有相同滑移面时，称为扭台阶与原位错具有相同滑移面时，称为扭折（折（Kink）台阶与原位错滑移面不同时，称为割阶台阶与原位错滑移面不同时，称为割阶（Jog）57571）两柏氏矢量垂直

17、的刃型位错的交割）两柏氏矢量垂直的刃型位错的交割折线折线PP是一割阶：是一割阶：b=b2b=b2，PP b2b2，高度，高度=b1=b1，刃型，滑移面为台阶面，刃型，滑移面为台阶面此割阶可滑移，有阻碍作用此割阶可滑移，有阻碍作用58582）两柏氏矢量平行的刃型位错的交割）两柏氏矢量平行的刃型位错的交割折线折线PP，QQ都是扭折：都是扭折：PP ：b=b2b=b2，PP/b2/b2，高度，高度=b1=b1，螺型，滑移面相同，螺型，滑移面相同QQ：b=b1b=b1，QQ/b1/b1，高度，高度=b2=b2，螺型，滑移面相同，螺型，滑移面相同扭折可滑移，有阻碍作用，最终因线张力作用而消失扭折可滑移，

18、有阻碍作用，最终因线张力作用而消失59593）两柏氏矢量垂直的刃型位错与螺型位）两柏氏矢量垂直的刃型位错与螺型位错的交割错的交割折线折线MM,NN均为割阶：均为割阶：MM:b:b=b1=b1，MM b1b1，高度，高度=b2=b2，刃型，滑移面不同，可滑移，刃型，滑移面不同，可滑移NN:b b=b2=b2，NN b2，高度，高度=b1=b1，刃型，滑移面不同，不可滑，刃型，滑移面不同，不可滑移移60604）两柏氏矢量垂直的螺型位错的交割）两柏氏矢量垂直的螺型位错的交割均形成刃型台阶，位错运动阻力增大。均形成刃型台阶，位错运动阻力增大。6161位错交割的特点位错交割的特点位错交割产生的台阶的大小

19、与方向由另一位位错交割产生的台阶的大小与方向由另一位错柏氏矢量确定；台阶具有原位错线的柏氏错柏氏矢量确定；台阶具有原位错线的柏氏矢量矢量割阶的滑移面与原位错不同，阻碍原位错滑割阶的滑移面与原位错不同，阻碍原位错滑移作用强（攀移时强），是一刃型台阶，移作用强（攀移时强），是一刃型台阶，扭折滑移面与原位错相同，阻碍原位错滑移扭折滑移面与原位错相同，阻碍原位错滑移作用弱，可以是螺型或者刃型的台阶，可以作用弱，可以是螺型或者刃型的台阶，可以在线张力作用下消失在线张力作用下消失62623.带割阶位错的运动带割阶位错的运动台阶高度台阶高度1-2a的小割阶的小割阶异号小割阶相向运动对消，异号小割阶相向运动对

20、消，同号小割阶排斥为间隔一同号小割阶排斥为间隔一定距离的不动割阶（位错定距离的不动割阶（位错滑动将引起割阶攀移，较滑动将引起割阶攀移，较难）难）切应力较小或低温时，割切应力较小或低温时，割阶处的位错线钉扎，其余阶处的位错线钉扎，其余位错线受力弯曲位错线受力弯曲切应力较大或高温时，割切应力较大或高温时，割阶产生攀移运动与原位错阶产生攀移运动与原位错线一同运动，因此会有空线一同运动，因此会有空位或间隙原子在割阶后留位或间隙原子在割阶后留下下6363台阶高度台阶高度2-20a的中割阶的中割阶割阶高度较大，攀移困难。在位错运动时除原有割割阶高度较大，攀移困难。在位错运动时除原有割阶阶OP外新产生两段异

21、号刃型位错外新产生两段异号刃型位错OO与与PP形成位形成位错偶极，由于相互吸引偶极释放出一个位错环并进错偶极，由于相互吸引偶极释放出一个位错环并进一步分成小位错环，原位错重新成为带割阶的位错一步分成小位错环，原位错重新成为带割阶的位错6464台阶高度超过台阶高度超过20a的大割阶的大割阶距离很远的两端位距离很远的两端位错线在各自的滑移错线在各自的滑移面上不受影响地发面上不受影响地发展成为单边位错源，展成为单边位错源，在滑移面上扫动变在滑移面上扫动变形的同时产生位错形的同时产生位错的增殖的增殖65654.位错的平面塞积群位错的平面塞积群可以证明长为可以证明长为L的的平面塞积群中位错平面塞积群中位错的数目为：的数目为：塞积群对障碍物的作用力等于障碍物作用于领先位错塞积群对障碍物的作用力等于障碍物作用于领先位错处的作用力：处的作用力：2(1)GbDv0 Ln=2D0=n