Transcript 刃型位错与螺型位错的交割图刃型位错与螺型位错的交割

第三章 晶体缺陷
引 言
第一节
第二节
第三节
晶体缺陷概述及类型
点缺陷
位错-线缺陷
表面及界面
第二节 位 错
2.1、位错的基本类型和特征
2.2、位错的运动与弹性性质
2.3、实际晶体中的位错
2.2、位错的运动与弹性性质
一、位错运动的方式
二、位错运动的交割
三、位错的弹性性质
四、位错与其他缺陷的交互作用
一、位错运动的方式
位错在晶体中运动有两种方式：滑移和攀
移，其中滑移最为重要。
攀移
滑移
1、位错的滑移
图 刃型位错与螺型位错的滑移
图 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程
图
螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程
位错的滑移是在切应力作用下进行的，只有
当滑移面上的切应力分量达到一定值后位错才能
滑移。
位错线
运动方向
晶体
滑移方向
切应力
方向
滑移面
个数
刃型位错 ⊥于位错线
⊥于位错
线本身
与b一致
与b一致
唯一
螺型位错 ‖于位错线
⊥于位错
线本身
与b一致
与b一致
多个
混合位错 与位错线成
一定角度
⊥于位错
线本身
与b一致
与b一致
类型
柏氏向量
螺位错的交滑移
由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，
混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向滑移，
并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。
（a）位错环
（b）位错环运动后产生的滑移
图
位错环的滑移
2、位错的攀移
（1）攀移的概念与本质
攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下移动，
于是位错线就跟着向上或是向下运动，因此攀移时位错线
的运动方向正好与柏氏矢量垂直。
只有刃型位错才能发生攀移运动，螺型位错是不会攀
移的。
（2）攀移的分类及割阶概念
通常把半原子面向上移动称为正攀移，半原子面向下
运动称为负攀移。
割阶指攀移时位错线上的台阶。
（a）正攀移（半原
子面缩短）
(b)未攀移
图 刃位错攀移示意图
（c）负攀移
（半原子面伸长）
（3）影响位错攀移的因素
①温度
攀移是通过原子的扩散而实现的（而滑移不涉及原
子的扩散）；由于空位的数量及其运动速率对温度十分
敏感，因此位错攀移是一个热激活过程。
②应力
外加应力对位错有促进作用，但切应力是无效的，
只有正应力才会协助位错实现攀移；压应力有助于正攀
移，拉应力有助于负攀移。
二、位错运动的交割
1、位错交割的含义
对于在滑移面上运动的位错来说，穿过此
滑移面的其它位错称为林位错。
林位错会阻碍位错的运动，但是若应力足
够大，滑动的位错将切过林位错继续前进。
位错互相切割的过程称为位错交割或位错交
截。
2、割阶与扭折
两个位错交割时，每个位错上都要产生一个新的小段
位错。当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，
则成为位错割阶；如果小段位错位于所属位错的滑移面上，
则成为位错扭折。
刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，扭折部分为螺型
位错。
螺型位错的割阶与扭折均为刃型位错。
扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道
运动，几乎不产生阻力；扭折在线张力作用下易消失。
割阶与原位错线不在同一滑移面上，除攀移外不能随
主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，称割阶硬化。
3、几种典型的位错交割
两根互相垂直的刃型位错的交割（柏氏矢量互相垂直）
(1) 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割
位错割阶
刃型位错
图
两个柏氏矢量互相垂直刃型位错交割
(2) 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割
位错扭折
螺型位错
位错扭折
螺型位错
图
两个柏氏矢量互相平行刃型位错交割
(3) 刃型位错与螺型位错的交割
位错割阶
刃型位错
图 刃型位错与螺型位错的交割
位错扭折
刃型位错
(4) 螺型位错与螺型位错的交割
位错割阶
刃型位错
位错扭折
刃型位错
图 螺型位错与螺型位错的交割
三、位错的弹性性质
1、位错的应力场
位错的弹性性质是位错理论的核心与基础，
它探讨的是位错在晶体中引起的畸变的分布及
其能量变化。
位错在晶体中的存在使其周围原子偏离平
衡位置而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。
在讨论位错的弹性应力场的基础上，可推
算出位错所具有的能量、位错的作用力、位错
与晶体其它缺陷间交互作用等问题。
图 位错的连续介质模型
（a）螺位错（b）刃位错
（1）螺位错的应力场
螺型位错周围只有一个切应变：γθz＝b/2πr
相应的各应力分量分别为
用直角坐标表示
螺位错的应力场的特点：
只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明
螺型位错不引起晶体的膨胀和收缩。
螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成
反比），而与θ，z 无关。只要r一定，τθz就为
常数。因此，螺型位错的应场是轴对称的，即与位
错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错
距离的增大，应力值减小。
r→0时，τθz→∞，显然与实际情况不符，这
说明上述结果不适用位错中心的严重畸变区。
（2）刃位错的应力场
图
刃位错周围的应力场
刃位错的应力场的特点：
同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分
量的大小与G和b成正比，与r成反比。
各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关。这表
明在平行与位错的直线上，任一点的应力均相同。
在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应
力τxy 达到极大值。
正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下
侧为拉应力。
x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两
条对角线处，只有σxx。
2、位错的应变能
（1）位错能的概念
位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，
高出的能量称为位错的应变能，简称位错能。
（2）位错是不平衡的缺陷，且具有尽量变直缩短的趋势
（3）位错能的计算公式（单位位错线的位错能）
E  Gb
2
其中α的值可以取0.5-1.0，
螺型位错α取下限0.5，
刃型位错取上限1.0。
3、位错的线张力
位错的总能量与位错线的长度成正比，因此为降低能量，
位错线有缩短变直的倾向。故在位错线上存在一种使其变
直的线张力Ｔ。这个线张力在数值上等于位错应变能。
b  ds  2T sin
ds  rd
d
2
d 

2
2
Gb2
T
(弯曲位错  0.5)
2
Gb

2r
sin
图
位错的线张力
保持位错线弯曲所需的切应力与曲率半径成反比。
4、作用在位错上的力
刃型位错的切应力方向垂直与位错线；
螺型位错的切应力方向平行于位错线；
使位错攀移的力为正应力。
位错滑移时的力
F  b
位错攀移时的力
F  b
力的方向与位错线运动方向一致，垂直于位错线方向。
四、位错与其他缺陷的交互作用
1、位错与点缺陷的交互作用
（1）柯氏气团：通常把溶质原子与位错交互作用后，
在位错周围偏聚的现象成为柯氏气团；气团的形成对位错
有钉扎作用，是固溶强化的原因之一；当溶质原子分布在
位错周围时使位错的应变能下降，这样位错的稳定性增加
了，位错由易动变得不容易移动，使晶体的塑性变形抗力
（屈服强度）提高。
（2）空位与位错也会发生交互作用，其结果是使位错
发生攀移，这一交互作用在高温下显得十分重要，因为空
位浓度是随温度升高呈指数关系上升的。
2、位错与其它位错的交互作用
（1）位错的应力场对其他位错也产生一个作
用力，使位错发生运动，以降低体系的自由能。
（2）同一滑移面上两根平行刃型位错的互相
作用也与螺型位错一样，同号位错互相排斥，异
号位错互相吸引。
（3）位错墙。一系列同号位错在垂直于滑移
面的方向排列起来，上方位错的拉应力场与下方
位错的压应力场相重叠而部分抵消。
本节重点与难点
1、位错的运动——滑移与攀移；
2、位错运动的交割；
3、位错的割阶与扭折；
4、位错与点缺陷、其它位错的作用；
5、位错的应力场、应变能、线张力、作用在
位错上的力。