实际晶体中位错的行为课件.ppt

1、本节要点本节要点：掌握扭折与割阶的概念掌握扭折与割阶的概念学会判断割阶的位错类型学会判断割阶的位错类型学会判断可动割阶与不可动割阶学会判断可动割阶与不可动割阶9.2 位错的弯折与割阶位错的弯折与割阶 9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 基本概念基本概念林位错林位错：穿过某一晶面的若干位错，称为这个晶面的林位错。：穿过某一晶面的若干位错，称为这个晶面的林位错。位错的交割（或交截）位错的交割（或交截）：两个位错交叉通过的行为。：两个位错交叉通过的行为。位错相互交割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折位错相互交割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折线有两种：线有两种：割阶：割阶

2、：垂直滑移面的折线，在位错运动中不消失。垂直滑移面的折线，在位错运动中不消失。扭折：扭折：在滑移面上的折线，在位错运动中能消失。在滑移面上的折线，在位错运动中能消失。9.2 位错的弯折与割阶位错的弯折与割阶 9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 如何判断扭折是否是割阶？判据：交割后判据：交割后折线段的滑移面折线段的滑移面是否与是否与原位错的滑移面原位错的滑移面重合，重合，若重合则可在位错运动中消失，若重合则可在位错运动中消失，扭折扭折；若不重合则叫若不重合则叫割阶割阶。割阶按是否可以随原位错一起滑动又分为割阶按是否可以随原位错一起滑动又分为可动割阶可动割阶和和不不可动割阶。可动割阶。折

3、线段的滑移面折线段的滑移面是交割后的折线段与其柏氏矢量构成的平是交割后的折线段与其柏氏矢量构成的平面。面。AB与与CD交割，产生交割，产生折线段折线段OO，其柏，其柏氏矢量同于氏矢量同于b2，是型，是型刃位错，长度为刃位错，长度为|b1|b2与与b1和和AB的滑移的滑移面面S1法线垂直，故法线垂直，故AB被被CD切割后，不切割后，不会发生扭折。会发生扭折。(1)柏氏矢量相互垂直的两刃型位错的交割柏氏矢量相互垂直的两刃型位错的交割几种典型的位错交割几种典型的位错交割基本概念基本概念刃9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 模型。模型。（2）柏氏矢量平行的两刃型位错的交割）柏氏矢量平行的两刃

4、型位错的交割(b1=-b2)PP=|b1|，PP与其柏氏矢量与其柏氏矢量b2同向，是螺型位错，滑移面与同向，是螺型位错，滑移面与AB相同，所相同，所以以PP是扭折，是扭折，可消失可消失；QQ=|b2|，与，与PP相同，可消失相同，可消失.S1S1v几种典型的位错交割几种典型的位错交割刃基本概念基本概念9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶位错的弯折与割阶 折线段折线段O2O2=|b1|，O2O2与其柏氏矢量与其柏氏矢量b2同向，是螺型位错，滑移面与同向，是螺型位错，滑移面与CD相同，所以相同，所以O2O2是扭折，可消失是扭折，可消失；同理同理O1O1也是扭折也是

5、扭折.（2）柏氏矢量平行的两刃型位错的交割（）柏氏矢量平行的两刃型位错的交割（b1=b2）几种典型的位错交割几种典型的位错交割9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶位错的弯折与割阶（3）刃型位错与螺型位错的交截）刃型位错与螺型位错的交截 柏氏矢量为柏氏矢量为b1的刃型的刃型位错位错AB，与螺型位错，与螺型位错CD交割后，分别形成割交割后，分别形成割阶阶O1O 1与与O2O2;O1O 1与与b1垂直，为垂直，为刃型位错，滑移方向与刃型位错，滑移方向与原位错相同，故为可动原位错相同，故为可动割阶；割阶；O2O2 在螺型位错的在螺型位错的滑移面上，螺位错运动滑移面上，

6、螺位错运动时可被拉直，是扭折时可被拉直，是扭折.基本概念基本概念9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶位错的弯折与割阶（4）两螺型位错的交割）两螺型位错的交割 柏氏矢量相互垂直的两螺型位错柏氏矢量相互垂直的两螺型位错CD被被AB交割后形成割阶交割后形成割阶OO，为刃型位错，滑移面为，为刃型位错，滑移面为OO与与b2构成的平面构成的平面S3，只能随着，只能随着CD攀移，难以运动；攀移，难以运动；AB被被CD交割情况同上。交割情况同上。基本概念基本概念（5）刃型位错与刃型林位错的交割）刃型位错与刃型林位错的交割 AB与与CD交割后交割后:OO=b1;bOO=b2;刃

7、型位错：被交割后必产生扭折或可动割刃型位错：被交割后必产生扭折或可动割阶。阶。螺型位错：被交割后产生的割阶必为刃型螺型位错：被交割后产生的割阶必为刃型位错且为不动割阶。位错且为不动割阶。小结小结带割阶的位错运动带割阶的位错运动刃型位错：被交割后形成割阶的可滑移方刃型位错：被交割后形成割阶的可滑移方向与原位错的滑移方向一致，因而是可动向与原位错的滑移方向一致，因而是可动割阶，但由于位错线变长，且割阶的可滑割阶，但由于位错线变长，且割阶的可滑移方向未必是易滑移方向，位错运动的阻移方向未必是易滑移方向，位错运动的阻力增加。力增加。螺型位错：割阶只能攀移，不能滑移，阻螺型位错：割阶只能攀移，不能滑移，

8、阻力大，甚至可钉扎位错。力大，甚至可钉扎位错。9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶位错的弯折与割阶 1.1.带小割阶的位错运动带小割阶的位错运动小割阶大小为小割阶大小为12个原子间距。个原子间距。（a）位错变长，运动阻力增加；）位错变长，运动阻力增加；（b）小割阶不动，位错沿着滑移面）小割阶不动，位错沿着滑移面运动；运动；（c）外力足够大，割阶攀移，后面）外力足够大，割阶攀移，后面留下空位或间隙原子。留下空位或间隙原子。刃型位错正攀移留下间隙原子；负刃型位错正攀移留下间隙原子；负攀移留下空位。攀移留下空位。左螺位错1.1.带小割阶的位错运动带小割阶的位错运动9

9、 位错的交割与割阶位错的交割与割阶9.3 带割阶的位错运动带割阶的位错运动比尔弼法则1.根据螺位错类型选择左右手;2.手臂指向为刃位错线方向;3.拇指指向柏氏矢量方向,则手掌所在面必为刃位错滑移面;4.手背朝向多余半原子面.2.2.带位错偶极的位错运动带位错偶极的位错运动割阶大小为几个到割阶大小为几个到20个原子间距。个原子间距。OO和和PP符号相反的刃型位错称符号相反的刃型位错称为为位错偶极位错偶极。3.3.带大割阶的位错运动带大割阶的位错运动割阶大小为割阶大小为2030个原子间距，称为个原子间距，称为大割阶大割阶。钉扎作用显著，割阶以外的位错相钉扎作用显著，割阶以外的位错相距极远，其间的应

10、力场交互作用甚距极远，其间的应力场交互作用甚小，各自在小，各自在S1、S2上滑动。上滑动。10 位错的增殖与萌生位错的增殖与萌生10.1 位错的形成位错的形成在晶体形成过程中会产生大量，有如下三种途径：在晶体形成过程中会产生大量，有如下三种途径：（1）在凝固过程中形成）在凝固过程中形成（2）由晶体在冷却时形成的局部内应力所造成）由晶体在冷却时形成的局部内应力所造成（3）由空位聚集形成）由空位聚集形成（1）在凝固过程中形成）在凝固过程中形成 树枝状晶体生长相遇后发生碰撞；液体流动时对晶体的冲击，使晶体表面发生错排形成大台阶；浓度起伏造成点阵常数的偏差；结晶前沿障碍物造成不同部分的位相差。（2）由

11、晶体在冷却时形成的局部内应力所造成）由晶体在冷却时形成的局部内应力所造成半径R的夹杂物对基体产生压力，在110方向产生分切应力，应力足够大时，产生一小段位错CAB，其柏氏矢量为1/2110。（111）(c)C，B处分别是右左螺型位错;(d)异号螺位错相遇抵消，产生一个位错环。CB右螺位错左螺位错（3）由空位聚集形成）由空位聚集形成 在高温时，晶体中的空位浓度很高，有聚集成片以降低组台能的趋势，晶体中空位片足够大时两边晶体塌陷下来，在周围形成位错环。面心立方晶体中，空位常在111晶面上聚集成片。该位错环是刃型位错。10 位错的增殖与萌生位错的增殖与萌生10.2 位错的增殖位错的增殖（1）弗兰克）

12、弗兰克-瑞德增殖机理瑞德增殖机理以正刃型位错以正刃型位错AB为例：为例：位错受力大小：F=tb位错受力方向：垂直位错各点受力相同，各点线速度相同，离A、B越近，角速度大，形成点弯曲。受力分析位错线上各点性质不同：位错线上各点性质不同：2、4 负刃位错 6正刃位错 1、5右螺型位错 3、7左螺型位错 AB位错线段是一个位错的增值机构位错线段是一个位错的增值机构,在外力作用在外力作用下能源源不断地产生位错环。下能源源不断地产生位错环。tt符合上述增殖原理的增殖机制，叫弗兰克符合上述增殖原理的增殖机制，叫弗兰克-瑞德位瑞德位错源，简称错源，简称F-R源，又叫源，又叫U型平面位错源。型平面位错源。P1

13、18 实际的例子。实际的例子。单边单边F-R源机制，也叫源机制，也叫L平面源平面源 AB是在滑移面上可动位错，是在滑移面上可动位错，BC不动位错，不动位错，B点被固定。点被固定。外力作用下，外力作用下，AB开始滑移，开始滑移，AB绕绕B转动，不断向外扩展，向外转动，不断向外扩展，向外扩展的旋转线，扫过滑移面一遍，相当于一个位错扫除晶体，发扩展的旋转线，扫过滑移面一遍，相当于一个位错扫除晶体，发生柏氏矢量生柏氏矢量b的滑移。的滑移。单边单边F-R源机制源机制tt单边单边F-R源机制，也叫源机制，也叫L平面源平面源 AB是在滑移面上可动位错，是在滑移面上可动位错，BC不动位错，不动位错，B点被固定

14、。点被固定。双交滑移平面源双交滑移平面源（111）（2）位错源的开动受力分析）位错源的开动受力分析 若若F-R源中源中AB长长L,使使AB弯曲的最小曲率半径弯曲的最小曲率半径r=L/2，对，对应临界应力为：应临界应力为：G10,1nm.0bm1L24tt则，一般情况，LGbrGbrbT此结果与实际情况非常相符。此结果与实际情况非常相符。参考8.4.3 位错的受力位错的受力 2221GbGbWT8.4.3 位错的受力位错的受力8.4 位错的弹性性质位错的弹性性质2.2.位错的线张力位错的线张力T TdlbFtt)(2sin2)(dTFTdtbdl外加应力t作用在位错dl上的力：TT线张力与F(t

15、)相反方向产生F(T)：ttt2TrGbbrbT或F(t)与F（T）平衡：222sin2ttdTrdbdTdlb则：位错的总应变能与位错的长度成正比，所以位错线有尽量缩短长度自动变直的趋势，好像有个张力，这个力就是位错的线张力，定义为：使位错线增长一定长度dl所作的功W，等于位错的应变能。221GbT r 在简单立方结构中的位错，其 b 总是等于点阵矢量。实际晶体中根据柏氏矢量的不同，可把位错分为以下几种形式；（1）b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错单位位错”。（2）b等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错全位错”（3）b 不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位不全位错错”或称或称“部分位错

16、部分位错”9 实际晶体中位错的行为实际晶体中位错的行为 9.3 全位错能量条件与滑移系统全位错能量条件与滑移系统FCC全位错原子排列示意图，图面为（111）面柏氏矢量可用数字及符号表示对fcc晶体，110是原子最密排的晶向，此晶向相邻两原子在三坐标轴上的投影为a/2、a/2、0，故单位位错柏氏矢量:bcc hcp 柏氏矢量可以相加，设 =1+2，其中 1=100，则 本节只讨论面心立方金属中的位错 abab22|,1102 Rbab23|1112 abab|02113 b b b b 21bbb 1112100aa 1112a 层错区与完整晶体的交界处，为层错区与完整晶体的交界处，为“不全位错

17、不全位错”。1肖克莱（Shockley）不全位错如图，为fcc晶体的（）面，使A层以上原子相对于C层作滑移，使ABCAB，此时滑移是不均匀的，即滑移中止在晶体内部，这样就在局部地区形成层错。其与完整晶体的交界区域即为Shockley不全位错。011 特征：（1）（2），且垂直于位错线，为纯刃型，也可为纯螺型或混合型 （3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛层错的111面上滑移，引起层错面的扩散或收缩，但不能离开层错面。abab66|121 6 111/b 2弗兰克（弗兰克（Frank）不全位错）不全位错 在fcc晶体中插入或抽走一层（111）面，就会形成堆垛层错。若插入或抽走的只是一部分，层错与

18、完整晶体边界即所谓“Frank位错”。如图6-60，为插入型弗兰克不全位错（叫正弗兰克不全位错），抽出型如图6-61（叫负弗兰克不全位错）。正弗兰克位错可由填隙原子聚集成园盘而形成负弗兰克位错可由空位盘崩塌而形成。特征：1），b与层错面和位错线垂直，故是纯刃型 2）只能攀移，而攀移必须借助原子的扩散，故运动困难，称为固定位错。不全位错的柏氏矢量亦可通过柏氏回路的方法确定，但回路的起点应选择在层错面上。abab33|,1113 3.位错反应与扩展位错位错反应与扩展位错(1)位错反应位错除相互作用外，还可能发生分解或合成，即位错反应。位错反应有两个条件。1）几何条件：反应前各位错柏氏矢量之和应等于

19、反应后各 之和即 前=后 2）能量条件：能量降低的过程 Eb2 b2前b2后1953年汤普森（N.Thompson）引入参考四面体和一套标记来描述fcc金属中位错反应，如图6-62。将四面体以ABC为底展开，各个线段的点阵矢量，即为汤普森记号，它把fcc金属中重要滑移面、滑移方向、柏氏矢量简单而清晰地表示出来。b b b 汤普森（N.Thompson）四面体图中四面体的六个棱AB、DC为全位错的柏氏矢量 a、b为弗兰克不全位错 A、D为肖克莱不全位错（a）=（）（b）=（）（c）=（）（d）=（111）为fcc中四个可能滑移面。如：DADr+rA即 几何条件：右边两个不全位错的 b 在x,y,

20、z轴上分量代数和等于左边全位错 b。能量条件：故反应能进行 111 111 111 112621161102aaa 012)(22212322GabbbaE(2)扩展位错一个全位错分解为两个肖克莱不全位错，中间夹着一片层错，它们组合在一起，叫“扩展位错”。b b 1=b b 2+b b 3+层错。如图，设想fcc晶体中的位错线在切应力作用下，沿着（111）1，0，-1 滑移系在B层与C层之间滑移，原子由C移至C有两种途径。一是由C直接移至C（即全位错的移动），需提供较高能量。另是先从C经一低低谷至A，再滑至C位置（相当于肖克莱不全位错的滑动），后者平坦，易进行，但两者效果相同，这个过程可表示为

21、：b b 1=b b 2+b b 3+层错 b b 2和 b 3是两个同符号的位错分量，它们之间互相排斥，存在一个斥力F，但层错区具有表面能。增加单位面积的层错所增加的表面能，可看作表面张力。它使层错区变窄，平衡时两者相等。平衡时：（r为层错能）dbbGF2)(32 rF rbbGd2)(32 112621161102aaa b b 2与b 3必定成60，设全位错与其b 夹角为，则两个不全位错夹角分别为-/6及+/6，是任意的。二不全位错有刃型和螺型部分，分解后刃错与刃错作用，螺错与螺错作用，则作用力 （螺错部分）（刃错部分）这样可近似可得 )6cos()6cos(22dGbF)6sin()6sin()1(22dVGb rGad242