ch2位错-25位错的动力学性质详解课件.ppt
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1、1Ch2 位错2.1 位错理论的产生2.2 位错的几何性质2.3 位错的弹性性质2.4 位错与晶体缺陷的相互作用2.5 位错的动力学性质2.6 实际晶体中的位错22.1 位错理论的产生一、晶体的塑性变形方式二、单晶体的塑性变形三、多晶体的塑性变形四、晶体的理论切变强度五、位错理论的产生六、位错的基本知识32.2 位错的几何性质一、位错的几何模型二、柏格斯矢量三、位错的运动四、位错环及其运动五、位错与晶体的塑性变形六、割阶42.3 位错的弹性性质一、弹性连续介质、应力和应变二、刃型位错的应力场三、螺型位错的应力场四、位错的应变能五、位错的受力六、向错七、位错的半点阵模型52.4 2.4 位错与晶
2、体缺陷的相互作用位错与晶体缺陷的相互作用一、位错间的相互作用力一、位错间的相互作用力二、位错与界面的交互作用二、位错与界面的交互作用三、位错与点缺陷的交互作用三、位错与点缺陷的交互作用62.5 2.5 位错的动力学性质位错的动力学性质 位错的动力学位错的动力学是研究位错运动的动力、阻力、是研究位错运动的动力、阻力、速度以及增殖。速度以及增殖。一、位错的萌生一、位错的萌生 二、位错的增殖二、位错的增殖 三、滑移的动力学三、滑移的动力学 四、攀移的动力学四、攀移的动力学 解决这些问题是理解晶体中解决这些问题是理解晶体中位错的来位错的来源源、范性变形的实际过程范性变形的实际过程以及许多以及许多受位错
3、受位错影响的物理性质影响的物理性质的必要前提。的必要前提。7 一、位错的萌生一、位错的萌生(一)位错是热力学不稳定的晶体缺陷(一)位错是热力学不稳定的晶体缺陷(二)位错的均匀形核二)位错的均匀形核(三)位错的不均匀形核(三)位错的不均匀形核(四)晶体中形成位错的三种途径(四)晶体中形成位错的三种途径8(一)位错是热力学不稳定的晶体缺陷(一)位错是热力学不稳定的晶体缺陷前人曾计算过,对于单位长度位错线:熵S2kT/b,应变能EGb2,由于Gb3的典型值为5eV,而kT在300K时为1/40eV,因此位错引起的自由能G0。所以,无应力晶体中热力学稳定的位错密度应为0。然而,除晶须以及精心制备的硅等
4、较大晶体材料等个别例子外,所有晶体中都存在位错。退火晶体中的位错密度约为104mm2,经大量范性变形后增至1089mm2。形变初期,位错运动倾向于在单一相互平行的滑移面内进行,其后在其它滑移系统中继发滑移,不同系统中运动的位错会相互作用,快速增殖导致加工硬化。9(二)位错的均匀形核(二)位错的均匀形核设在某一驱动力F作用下形成半径为R的位错圈:形成能位错圈自身的能量驱动力所作的功 10假设,在无能量涨落时,晶体中要能自发萌生位错圈,则有c/10,这是一个很高的值,接近晶体的理论强度;实际屈服应力/1000,取=2b,则Rc500b,临界形核功Uc650b3,典型金属大约是3KeV。而热涨落的能
5、量大约是1/40eV,故屈服应力下均匀形核显然是不可能的;以上讨论表明,位错萌生是一个相当困难的过程,实际晶体往往借助应力集中产生位错的非均匀萌生。11(三)位错的不均匀形核(三)位错的不均匀形核 在在370370均匀保温,去除与包裹体相关的内应变,最后冷至均匀保温,去除与包裹体相关的内应变,最后冷至2020,形成棱柱位错环,形成棱柱位错环(图中为其侧面图中为其侧面),它们显然是被玻璃包,它们显然是被玻璃包裹体挤压出来的。位错环轴向平行于裹体挤压出来的。位错环轴向平行于。12一种常见的非均匀位错萌生过程一种常见的非均匀位错萌生过程 棱柱挤压棱柱挤压:当压头很有力地压在晶体的表面时,可以萌生一系
6、列棱柱位错圈而生成压痕。如图高度为nb的坑对应于n个伯格斯矢量为b的棱柱圈,此过程的能量关系为作用于压头的力作用于压头的力P P所作的功所作的功生产棱柱圈的能量生产棱柱圈的能量增加的表面能增加的表面能,即 其中D为压头直径,若D很小,则局部正应力可很大,因而在一般的P值,即可达到萌生位错圈所需要的应力。13141516(四)晶体中形成位错的三种途径(四)晶体中形成位错的三种途径171819202122二、位错的增殖二、位错的增殖(一)弗兰克瑞德源(F-R滑移源)(二)双交滑移位错源(三)攀移位错源(Bardeen-Herring)23Production of DislocationsExam
7、ple:Frank Read Source dislocation pinned at both ends.What is the force on the curved segment causing it to bow out?Line tension T can be equated to energy/unit length.T 1/2 Gb224For curved segmentTotal normal force on segment If in equilibrium with applied stress,ori.e equilibrium radius of curvatu
8、re is controlled by stress.25The Frank Read source expands under the stress,pinned at both ends.When the bowed dislocation line reaches a semicircle it can continue to expand under a diminishing force.There are other sources of dislocation lines:single Frank-Read sources,where the line is pinned onl
9、y at a single source.Intersections with other dislocations jogs increase the length of the line,and may act as Frank Read sources.26(一)弗兰克瑞德源(一)弗兰克瑞德源(F-RF-R源源)双轴F-R源(U形源)单轴F-R源(L形源)27双轴F-R源(U形源)28Generation of dislocations Whereas we now learned a little bit about the complications that may occur w
10、hen dislocations move,we first must have some dislocations before plastic deformation can happen.In other words:We need mechanisms that generate dislocations in the first place!Of course,dislocations can just be generated at the surface of the crystal;the simple pictures showing plastic deformation
11、by an(edge)dislocation mechanism give anidea how this may happen.But more important are mechanisms that generate dislocations in the bulk of acrystal.The most important mechanism is the Frank-Read mechanism shown below.29Frank-Read mechanism We have a segment of dislocation firmly anchored at two po
12、ints(red circles).The force F=b tres is shown by a sequence of arrows 30 The dislocation segment responds to the force by bowing out.If the force is large enough,the critical configuration of a semicircle may be reached.This requires a maximum shear stress oftmax=Gb/R 31 If the shear stress is highe
13、r than Gb/R,the radius of curvature is too small to stop further bowing out.The dislocation is unstable and the following process now proceeds automatically and quickly.32 The two segments shortly before they touch.Since the two line vectors at the point of contact have opposite signs(or,if you only
14、 look at the two parts almost touching:the Burgers vectors have different signs for the same line vectors),the segments in contact will annihilate each other.33 The configuration shown is what you have immediately after contact;it is totally unstable(think of the rubber band model!).It will immediat
15、ely form a straight segment and a nice dislocation loop which will expand under the influence of the resolved shear stress.The regained old segment will immediately start to go through the whole process again,and again,and again,.-as long as the force exists.A whole sequence of nested dislocation lo
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