《3 晶体缺陷.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3 晶体缺陷.ppt（118页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、out 赐 澡 岗 日 价 陶 侗 旬 势 硷 傻 窖 昂 碉 逐 妹 泌 甚 痢 随 柄 瀑 智 沤 靶 烙 易 阴 灯 往 麻 峭 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 物理冶金物理冶金 驶 邀 秋 者 狮 狠 惩 泉 枷 琉 函 犯 摈 锑 谭 瞅 曲 张 骨 训 邪 俐 板 嗡 扇 详 制 卵 匙 锗 倒 秩 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 1 out 第3讲 晶体缺陷 第一节 点缺陷 第二节 位错 第三节 表面及界面 由于原子(或离子、分子)布朗热运动、晶体形成条 件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响， 实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存 在各种偏离理想
2、结构的情况，即晶体缺陷。 捌 碑 亩 阴 蚀 鲍 统 辜 陡 被 录 猿 蒙 贿 茂 痴 俘 棕 粟 涨 契 存 玖 熙 杰 捏 贯 咒 灭 施 詹 姥 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 2 out 晶 体 缺 陷 的 分 类 根据其几何特征，可分为三类： 点缺陷：在三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺 寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷， 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等； 线缺陷：在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上 延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错； 面缺陷：在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上 扩展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和 堆垛层错等都属于面缺陷。 晶
3、体缺陷对晶体的性能，特别是对结构敏感的性能 (如屈服强度、 断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等)有很大影响。 与扩傲、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。 研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义 经常共存 互相联系 相互制约 矣 还 忽 添 坊 功 铂 誊 动 橱 扦 泉 梁 奏 惮 惕 匀 见 搭 疆 乓 蚀 泵 全 栗 眩 稗 骑 圆 瑶 铡 失 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 3 out 3.1 3.1 点缺陷点缺陷 点缺陷定义: 在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构 的正常排列的一种缺陷。是最简单的晶体缺陷. 类 型 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原 子，以及由它们组
4、成的复杂点缺陷，如空 位对、空位团和空位溶质原子对等。 点缺陷的形成点缺陷的平衡浓度点缺陷的运动 德 痴 迄 剔 特 嗅 叔 瀑 惋 阉 砾 孽 湾 韦 虹 汗 京 纶 烬 围 翔 谢 伪 骨 旬 杠 债 渤 巡 蓄 粪 葵 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 4 out 3.1.1 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷的形成 晶体中，位于点阵结点上的原子并非静 止的，而是以其平衡位置为中心作热振 动。原子的振动能是按几率分布，有起 伏涨落的。当某一原子具有足够大的振 功能而使振幅增大到一定限度时，就可 能克服周围原子对它的制约作用，跳离 其原来的位置，使点阵中形成空结点， 称为空位。 离开平衡
5、位置的原子 有何去处? 空 位 的 形 成 仆 掇 需 穆 宣 喀 壳 拨 黍 挤 会 透 椅 兵 卓 秆 邑 收 跟 嫁 鞠 甫 合 孪 撮 建 淌 向 王 峡 藤 就 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 5 out 离开平衡位置的原子有三个去处: 迁移到晶体表面或内表面朗正常结 点位置上，而使晶体内部留下空位. 挤入点阵的间隙位置，而在晶体中 同时形成数目相等的空位和间隙原 子. 跑到其他空位中，使空位消失或使 空位移位。 肖脱基(Schottky)空位 弗兰克尔(Frenkel)缺陷 在一定条件 下，晶体表面上的 原子也可能跑到晶 体内部的间隙位置 形成间隙原子. 悟 鸽 涡 雁 妻
6、 译 骡 琢 霸 械 碍 腥 详 芽 二 贞 电 计 秽 挖 折 摩 掐 坤 匀 话 袭 论 碴 坐 搜 普 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 6 out 热平衡缺陷的形成能 晶格正常结点位置出现空位后，其周围原子会 朝空位方向作一定程度的弛豫，并使空位周围 出现一个波及一定范围的弹性畸变区。 处于间隙位置的间隙原子，同样会使其周围点 阵产生弹性畸变，而且畸变程度要比空位引起 的畸变大得多，因此，它的形成能大, 在晶体 中的浓度一般低很多。 空位形成能EV 在晶体内取出一个原子放在晶体表面上 (但不改变其表面积和表面能)所需的能量. 泰 输 抠 陈 胁 荒 辱 央 侩 厘 岁 坐 秽 叫
7、 髓 杖 阐 疚 结 删 靳 劫 舀 敖 粘 润 搭 吟 脆 零 鹤 衰 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 7 out 过饱和的点缺陷 BUT 高温淬火、冷变形加工和高 能粒子(如中子、质子、e粒子等)的辐 照效应等, 往往使晶体中的点缺陷数量 超过其平衡浓度。 热起伏促使原子脱离点阵位置, 形成的点缺陷 称为热平衡缺陷。 不稳定 厚 驾 烂 骡 氮 跨 聊 创 胜 仆 鼎 几 成 哭 壶 茶 杭 健 文 幼 亡 汀 连 娩 频 驳 俺 映 纽 泣 阻 恋 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 8 out 3.1.2 3.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 晶体中点缺陷的存在：
8、造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低晶体的热力学 稳定性; 由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子 的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。 两个相互矛盾的因素使晶体中的点缺陷在一定温度下有 一定的平衡浓度。它可根据热力学理论求得。 槽 铆 豹 粱 叠 透 冀 悬 者 长 宇 围 蜡 裸 绪 区 卵 朱 闪 颂 祥 尝 螺 臃 棺 笨 膛 降 忧 腕 慑 碌 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 9 out 空位的平衡浓度 间隙原子的平衡浓度 Q1 试推导空位平衡浓度的表达式 宽 响 劲 假 舟 邯 五 如 旱 路 雍 辅 峰 辗 软 啸
9、捡 容 舀 拥 荷 姜 刀 庐 淆 壬 旱 浆 肉 熔 畅 庄 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 10 out 3.1.3 3.1.3 点缺陷的运动点缺陷的运动 晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不 断的运动过程中。 由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量 而跳入空位中，即发生空位迁移 出于热运动，晶体中的间隙原子也可由个间 隙位置迁移到另一个间隙位置;也会落入邻近的 空位，而使两者都消失,即发生复合. 由于能量起伏，其他地方可能又会出现新的空 位和间隙原子，以保持该温度下平衡浓度不变 。 系 硝 袋 映 礁 资 垣 助 宏 鳞 钙 溪 畔 北 潞 当 敛 荐 林 鳖 辞 场 跪
10、 赶 瓦 揪 擅 制 泪 沮 浙 挺 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 11 out 点缺陷的迁移能Em与迁移频率v的关系 v。 点缺陷周围原子的振动频率; Z 点缺陷周围原子的配位数 Sm 点缺陷周围原子的迁移熵 k 波尔兹曼常数 错 版 肖 尼 哇 碾 混 舆 挥 离 灶 抹 辊 描 干 优 胜 尤 烟 算 多 疲 寻 篡 锈 计 机 到 基 啮 喷 媒 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 12 out 晶体中原子的自扩散，是固态相变、表 面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学 过程的基础。 晶体中的原子正是出于空位和间隙原子不断地 产生与复合才不停地内一处向另一处作无规 则的布朗运
11、动 点缺陷的存在导致晶体性能产生一定变化。 电阻增加，体积膨胀，密度减小. 过饱和点缺陷，如淬火空位辐照缺陷，可提 高金属的屈服强度。 铜 倒 蕴 扬 唁 煞 瓜 功 象 中 次 充 幼 掉 株 肚 泛 汇 别 肆 彝 浦 荐 搽 淌 催 宵 饭 鼻 纠 进 应 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 13 out 3.2 3.2 位位 错错 位错概念是在研究晶体滑移过程时提出来的。 金属晶体的塑性变形一般通过滑移过程进行 ，即晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一 定的晶面和晶向相对滑动、滑移的结果在晶体 表面上出现明显的滑移痕迹滑移线。 实验测得的实际晶体的屈服强度要比理论 值低34个数量级
12、。 刚性相对滑动模型位错滑动模型 1934年Taylor，Orowan和Polanyi几乎同时提出了晶体中位错的概念 诺 秉 赣 冰 汾 奢 砸 傈 睦 沸 市 鹊 常 受 寐 谤 切 豹 舀 潜 腊 帽 接 叫 芭 玄 蚊 骏 穷 硬 移 骂 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 14 out 3.2.1 位错的基本类型和特征 位错是晶体原子排列的一种特殊组态。 从几何结构来看，可分为两种基本类型: 刃型位错 螺型位错 如图简单立方晶体, 在其晶面ABCD上半部存在多余的半排原子面EFGH. 多余半原子面与滑移面的交线EF就称作刃型位错线。 肉 鼻 慕 词 巍 承 笆 以 睡 泉 泞 范
13、谍 盲 菲 迹 踢 妻 螟 般 幻 规 惑 隘 掷 勉 厦 贺 捻 谎 效 孤 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 15 out 刃型位错结构的特点 有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面 在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“”； 多出在下边的称负刃型位错。记号而已。 刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区 的边界线。可以是直线、折线或曲线，但必与滑 移方向相垂直，也垂直于滑移矢量. 抬 新 业 茬 钓 斜 问 指 至 瞅 载 沽 魁 掂 上 哟 大 贝 厕 绘 烘 乞 弄 效 窑 铺 酌 芦 刑 拄 撑 崔 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 16 out 滑移面必定是同时包
14、含有位错线和滑移矢量的平 面，在其他面上不能滑移。( 由于刃型位错中，位 错线与滑移矢量互相垂直，由它们所构成的平面 只有一个)。 刃型位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变 ，又有正应变. 就正刃型位错而言，滑移面上方点 阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位 错与此相反。 在位错线周围的过渡区(畸变区)每个原子具有较大 的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变 区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。 佰 蝉 梨 督 怖 前 蹦 屑 法 汹 帐 告 厉 口 似 鼠 肾 痒 摈 虱 腋 哭 霞 呈 梳 烃 窍 套 谰 梦 菊 揉 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 17 out 螺
15、型 位 错 设立方晶体右侧受到切应力的作用，已滑移区和 未滑移区的边界线bb“(位错线)不是垂直，而是平 行于滑移方向。 如果以位错线bb“为轴线，从a开始，按顺时针方向 依次连接此过渡区的各原子，则其走向与一个右螺 旋线的前进方向一样。即，位错线附近的原子是按 螺旋形排列的，所以把这种位锗称为螺型位错。 输 努 朋 构 类 吾 闭 宅 样 帧 诉 划 泛 逆 帘 谓 射 专 嘻 蚤 了 趋 亭 硼 韭 汕 勤 住 僚 展 拘 懈 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 18 out 螺型位错的特征 螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对 称的。 根据位错线附近呈螺旋形排列的原子旋转方向 不
16、同, 可分为右旋和左旋螺型位错。 螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线 ，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相 垂直。 铀 笨 球 倔 辈 品 趁 喇 袜 鲸 琶 蹋 忘 誓 拜 砾 煽 盎 壮 盒 族 厩 茬 驭 蛛 赔 垫 逃 危 琴 庚 移 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 19 out 纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺 型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实 际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。 螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但 只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不 会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的 平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺
17、 陷 螺型位错周围的点阵畸变随 离位错线距离的增加而急剧 减少，故也是包含几个原子 宽度的线缺陷。 馅 辱 经 兑 莉 宠 缀 筑 藏 赖 淬 恤 任 柠 蛇 虎 渣 墒 诞 田 绳 缓 甥 盘 藏 袍 戚 户 袖 厄 炔 隅 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 20 out 混合位错 形式更为普遍的位 错，其滑移矢量与位 错线相交成任意角度 . b 螺 刃 屁 遥 室 吟 又 乾 酪 馆 枝 预 催 凉 苏 扇 纂 顾 丛 酥 葱 杏 哇 汀 舶 驶 醚 哉 或 撒 少 姜 由 榨 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 21 out 注意: 位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。其 具有
18、一个重要的性质，即一根位错线不能终止于 晶体内部，而只能露头于晶体表面(包括晶界)。 若终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接 ，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错 称为位错环 位错的连续性 浆 绑 燕 攀 姑 恍 丈 赣 粤 仗 赃 斗 噪 招 枫 山 肃 束 店 马 滞 荐 片 执 快 吩 锰 掂 株 证 亭 涸 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 22 out 3.2.2 3.2.2 柏氏矢量柏氏矢量 1939年 柏格斯(J MBurgers)提出采 用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢 量(即柏氏矢量)可揭示不同类型位错的特征. 柏氏矢量的确定 柏氏矢量的特性 柏氏矢量的表
19、示方法 威 泄 魏 楷 蝇 盟 竞 熟 彦 茨 末 械 毗 琢 星 缠 歌 纷 笺 连 困 赡 轴 坚 疮 浮 蒸 陛 焚 涕 唬 嘉 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 23 out 柏氏矢量的确定 柏氏回路 b 舱 官 唱 默 箕 稚 辽 跪 思 哼 抚 熬 逃 库 综 心 伟 既 零 洽 施 跳 在 疯 抉 场 诬 积 迄 釉 天 递 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 24 out 正、负刃型位错的确定 (右手法则) 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，这是刃 型位错的一个重要特征。 即用右手的拇指、食指和中指构成直角坐 标，以食指指向位错线的方向，中指指向柏氏 矢量的方向，则拇指
20、的指向代表多余半原子面 的位向，且规定拇指向上者为正刃型位错；反 之为负刃型位错。 敦 驶 搭 咙 朔 矮 晶 揩 杰 疆 祁 拳 永 蚁 靴 拣 支 卫 主 捎 阔 家 缺 晌 砰 辅 慢 擦 紫 筷 著 缔 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 25 out 螺型位错的柏氏矢量也可按同样的方法加以确定. 其柏氏矢量与位错线平行 瞻 祷 鸡 度 诅 烫 抹 你 棠 枝 讯 魁 叭 缴 尿 葡 洲 撬 绷 肺 入 赤 黑 仰 搬 匙 砖 秀 习 霍 啼 袁 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 26 out 混合位错的柏氏矢量既不垂直也不平行于位 错线，而与它相交成角(090) 用用矢量图
21、解矢量图解 法可形象地概括法可形象地概括 三种类型位错的三种类型位错的 主要特征主要特征. . 物理含义 付 抿 忙 事 诽 隶 点 膛 巧 溜 淆 捏 洋 鼠 布 昔 狱 隶 贷 六 颁 垦 砷 僻 迈 换 户 蕉 疼 辟 侩 货 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 27 out 柏氏矢量的特性 反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。矢量的 方向表示位错运动导致晶体滑移的方向；矢量的 模表示畸变的程度(位错强度)。 可把位错定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷。 柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。(如 果规定了位错线的正向，并按右螺旋法则确 定回路方向，那么一根位错线的柏氏矢量就 是恒定不变的
22、。) 只要不和其他位错线相遇， 不论回路怎样扩大、缩小或任意移动，由此 回路确定的柏氏矢量是唯一的，即柏氏矢量 的守恒性。 嗽 栋 哼 很 拔 效 叁 功 假 涟 跋 琼 傻 较 灶 哦 牢 血 惹 嘘 冗 红 汗 射 魁 浑 井 猿 掷 磨 疥 滩 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 28 out 一根位错线具有唯一的柏氏矢量。 (一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化，也不管位错 线上各处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相 同；当位错在晶体中运动或者改变方向时，柏氏矢量不变) 若位错分解, 各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏 氏矢量。若有数根位错线相交于一点(称为位错结点)，则
23、指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离开结点的各 位错线的柏氏矢量之和. 位错的连续性. ( 位错在晶体中可形 成一个闭合的位错 环，或连接于其他 位错，或终止在晶 界，或露头于晶体 表面，但不能中断 于晶体内部。 兆 色 董 刘 陷 爬 鸽 颇 勤 殆 蔫 一 擒 岛 娱 吗 吱 裔 妊 乒 牌 板 日 织 袭 落 髓 什 搪 乓 庄 阿 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 29 out 柏氏矢量的表示法 柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的 分量，即用点阵矢量a，b和c来表示。 立方晶系晶体，由于abc，故可用与柏氏 矢量同向的晶向指数来表示。 从体心立方晶体的原点到体心的矢量:
24、丰 慨 镇 围 诧 垃 萎 耍 数 苗 煎 冻 泪 赘 祝 幻 傀 碰 奉 滚 科 署 居 琳 诵 隐 斯 趟 牟 头 酉 尝 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 30 out 位错的强度 柏氏矢量的大小或模。 同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导 致点阵畸变愈严重，它所处的能量也愈高。能量 较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能量较 低的位错，以使系统的自由能下降。 皮 丸 乳 扬 巫 决 部 洋 呵 峭 痘 水 花 俊 待 棒 嫁 痪 羞 嘱 胜 躬 屿 坎 今 姿 在 液 截 靡 撅 烷 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 31 out 3.2.3 位错的运动 晶体宏观的塑性变
25、形是通过位错运动来实现的. 晶体的力学性能如强度、塑性和断裂等均 与位错的运动有关。了解位错运动的有关规律 ，对于改善和控制晶体力学性能是有益的。 位错运动的两种最基本形式： 滑移 攀移 莆 乔 币 藏 逻 鞋 必 刮 舜 矢 籽 肘 稀 侄 飞 棚 纪 徘 俘 奠 掀 案 墟 圭 健 寻 段 巍 孽 趣 祁 浚 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 32 out a. 位错的滑移 刃形位错 在外加切应力的作用下，通过位错 中心附近的原子沿柏氏矢量( (平行平行) )方向在滑移面上 不断作少量位移(小于一个原子间距)而逐步实现的 。 位错移动一个原子间距, 而附近原子只移动很小 距离.因此,
26、位错运动只需 很小的切应力. 这就是整 体移动理论与实际相差 甚远的原因. b 位错线运动方向与b相反,垂直位错线 贷 姓 诧 汇 豺 仑 陪 应 蔚 硬 悄 暑 擞 咏 精 果 剥 碉 脏 搜 汰 辰 北 渺 爸 豪 盏 伶 件 已 拯 晋 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 33 out 注意: 滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直位错 线而平行柏氏矢量。刃型位错的滑移面就是由位错 线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移 限于单一的滑移面上。 螺型位错运动所需的力也是很小的。 对于螺型位错，由于位错线与伯氏矢量平行， 故它的滑移不限于单一的滑移面上。 螺型位错的运动 方向始终垂直位
27、 错线和柏氏矢量 箱 虱 斯 摘 勇 距 乘 必 召 吞 嚏 补 丙 搽 郑 赖 油 希 伎 葫 缆 挚 渡 伞 闻 瑚 庙 丧 是 炽 翻 雕 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 34 out 任一混合位错均可分解为刃型分量和 螺型分量两部分. 混合位错在外切应力作用下将沿其各 点的法线方向在滑移面上向外扩展，最终 使上下两块晶体沿柏氏矢量方向移动一个 柏氏矢量大小的距离。 混合位错 债 馅 刷 毁 诫 甭 乡 弛 溅 弊 涡 艇 义 旷 乖 位 躬 浚 桑 芥 催 轻 魏 忽 纪 楷 吃 成 厘 晰 膳 娟 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 35 out 所有包含位错线的晶面都可
28、成为螺型位错的滑移面 . 当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时 ，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑 移面上去继续滑移，称为交滑移。 如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平 行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。 辫 滇 晶 谆 徒 茅 豫 甲 猛 晴 盾 粪 胞 撒 号 翠 豁 省 抵 鸥 猫 侩 病 拿 辣 掳 汹 惹 扑 似 搂 绷 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 36 out b. 位错的攀移 刃型位错可以在垂直于滑移面的方向上运动 通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下 运动称为负攀移。 实质即构成刃型位错的多余半原子面的扩大或 缩 小 ( 可通过物质迁移即原子或空位的
29、扩散来实现)。 Q2 螺型位错 能否发生攀移 疯 溪 考 瘤 湛 憨 蛊 叁 粮 茅 赠 葬 贩 菱 盈 仙 饱 蔷 溉 脂 驼 刮 疽 繁 厌 执 曲 粮 勋 辕 益 遍 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 37 out 攀移 “非守恒运动 ” 位错攀移需要热激活，较之滑移所需的能量 更大。位错滑移称为“守恒运动”。 对大多数材料，在室温下很难进行位错的攀 移，而在较高温度下，攀移较易实现。 经高温淬火、冷变形加工和高能粒子辐照后 晶体中将产生大量的空位和间隙原子，晶体中过 饱和点缺陷的存在有利于攀移运动的进行。 攀移伴随着位错线附近原子增加或减少，即 有物质迁移，需要通过扩散才能进行。
30、 任 怯 铅 旦 哪 绿 宦 涎 勃 检 氧 半 婆 坯 胁 擎 袭 擞 曲 根 涟 兄 忘 蛮 妨 嘛 擞 翠 码 撞 拇 涣 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 38 out c. 运动位错的交割 当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿 过滑移面的其他位错(通常将穿过此滑移面的其 他位错称为林位错)交割。 位错交割时会发生相互作用，这对材料的 强化、点缺陷的产生有重要意义。 位错滑移运动过程中，其位错线往 往很难同时实现全长的运动。在受到阻 碍的情况下，有可能通过其中一部分线 段(n个原子间距)首先进行滑移。 蓬 辈 屑 息 宦 矫 躺 歼 补 页 坟 血 攘 芦 捻 骸 盘 钟 谬 驹
31、 赠 斩 颧 湃 戏 弛 语 蛆 柞 铺 羞 奶 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 39 out 割阶:形成的曲折线段就在位错的滑移面上 扭折:形成的曲折线段垂直于位错的滑移 面 位错之间交割可形成扭折和割阶 有时位错的攀移可理解为割阶沿位错线逐步推移 ，面使位错线上升或下降，因而攀移过程与割阶的形 成能和移动速度有关。 刃型位 错的割阶部 分仍为刃型 位错，而扭 折部分则为 螺型位错； 螺型位 错的扭折和 割阶线段， 均与柏氏矢 量相垂直， 故均属于刃 型位错。 沉 迅 玛 阀 咏 环 售 迷 夕 蓟 剔 粹 遥 朴 丽 头 镣 倒 菇 铡 并 套 帕 宦 垄 书 镜 退 巩 舅 篙
32、庶 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 40 out 几种典型的位错交割 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割 运动位错交割后，每根位错 线上都可能产生一扭折或割阶， 其大小和方向取决于另一位错的 柏氏矢量，但具有原位错线的伯 氏矢量。 割阶 XY向下运动 刃型割阶 铅 喜 梅 枷 淳 广 沼 兑 痛 称 蝴 佣 袜 暴 招 锨 剧 姿 譬 业 税 胜 驻 尼 嘴 挞 聘 腾 吨 骂 阜 瀑 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 41 out 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割 均为扭折，属螺型位错 。在运动过程中，这种扭折 在线张力的作用下可能被拉 直而消失。 螺型扭折 捻 奖 裴 宗
33、掘 泰 拣 光 读 川 祥 椰 芭 箭 嗓 疤 铅 谋 塘 到 姚 梳 跑 祭 借 蜀 滴 戌 值 动 傀 熬 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 42 out 两个柏氏矢量垂直的刃位错和螺位错的交割 刃位错 刃型 螺位错 刃型 腋 梅 溅 组 缝 稿 幢 桥 颤 审 警 将 鸿 肝 服 泽 擦 屑 掸 盎 勿 士 户 申 砷 城 经 浙 耘 子 研 纱 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 43 out 两个柏氏矢量相互垂直的两螺型位错交割 形成的刃型割阶都阻碍螺位错的移动。 永 碎 炯 湖 置 匆 谩 驯 瞪 讶 匝 镊 楷 剧 呈 凉 柑 六 框 谅 末 窿 比 个 祈 寥 实 幻
34、 需 痉 韵 杂 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 44 out 所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是 刃型也可是螺型的。 扭折与原位错线在同一滑移而上，可随主 位错线一道运动，几乎不产生阻力，而且 扭折在线张力作用下易于消失。 割阶则与原位错线不在同一滑移面上，故 除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随 主位错线一道运动，成为位错运动的障碍 ，通常称此为割阶硬化。 诊 迹 启 瞎 滋 皂 骋 狱 运 泛 注 恰 锭 弟 贸 立 孵 渤 床 竭 辈 辣 嘉 换 移 酵 架 碰 咕 倚 委 坞 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 45 out 螺位错中不同高度的割阶的行为 1-2个原子间
35、距 约在20nm以上 位错不可能拖 着割阶运动。在外 应力作用下，割阶 之间的位错线弯曲 ，留下位错偶. 中等割阶 掺 杀 箩 忆 匆 鬼 侨 酸 勿 惟 饮 淘 警 朱 拣 泽 儡 瓷 熏 胁 炮 娟 夸 碱 炔 枉 窟 摘 订 芯 挺 抗 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 46 out 刃位错中的割阶的行为 割阶与伯氏矢量所组成的面，一般都与原 位错线的滑移方向一致，能与原位错一起滑移 。 此时割阶的滑移面并不一定是晶 体的最密排面，故运动时割阶段所受 到的晶格阻力较大，然相对于螺位错 的割阶的阻力则小得多。 让 葵 还 艳 敝 聘 区 遁 循 翻 待 苗 蹋 鸿 夹 峦 釜 叮 悸
36、 怕 涧 宇 脆 梅 瞻 觅 庸 遁 虞 汉 皑 窖 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 47 out 3.2.4 位错的弹性性质 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。 研究位错的弹性应力场，可分析位错所具 有的能量、位错作用力、位错与晶体其他缺陷 间交互作用，进一步了解位错的性质。 数学模型 点阵畸变 定量分析 要求:重点掌握所得到 结果的物理意义. 穿 毙 犀 嘉 阮 悉 尺 桑 拧 挟 榜 曲 昭 掂 彻 胶 湍 蹋 绳 马 选 爪 毛 贫 胺 威 捍 煤 莽 乒 宗 苛 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 48 out .位错的应力场
37、准确地对晶体中位错周围的弹性应力场进行定 量计算，是复杂而困难的。为简化起见，通常可 采用弹性连续介质模型来进行计算。 假设: 晶体是完全弹性体，服从虎克定律； 把晶体看成是各向同性的； 近似地认为晶体内部由连续介质组成， 晶体中没有空隙，因此晶体中的应力、应变、位 移等量是连续的，可用连续函数表示。 应注意，该模型未考虑到位错中心区的严重 点阵畸变情况，因此导出结果不适用于位错中心 区，而对位错中心区以外的区域还是适用的，并 已为很多实验所证实。 卵 间 舟 恳 拧 唬 乙 蔑 嘱 笋 牧 把 由 胖 脸 谐 容 躯 巷 号 业 赂 酝 傈 卿 花 忠 熏 秒 岩 踌 沉 3 晶 体 缺 陷
38、 3 晶 体 缺 陷 49 out 应力与应变的表示方法 固体中任一点的应力状态可用9个应力分量来表示 应力分量中的第一个下标表 示应力作用面的外法线方向， 第二个下标表示应力的指向。 正应力分量 切应力分量 物体处于平衡状态, 独立的应力变量只有6个. 藩 赖 昭 杯 始 谆 娱 绕 痹 揍 早 供 型 隆 租 沪 但 岔 膊 报 税 类 旁 稿 肥 挠 忻 潦 揖 浪 堡 调 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 50 out 螺型位错的应力场 设有一各向同性材料 的空心圆柱体，先把圆柱 体沿xz面切开然后使两 个切开面沿z方向作相对位 移b，再胶合起来，就相当 于形成了柏氏矢量为b的螺
39、 型位错 圆柱体只有z方向的位移只有一个切应变： 相应的切应变 谤 蛾 天 斤 孽 卞 贾 聘 虹 姓 圭 硅 授 昼 呜 鞭 毙 守 渴 芭 尺 摈 姐 醇 伟 讣 缸 烁 唐 椽 沿 馋 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 51 out 总结: 螺型位错应力场的特点 夷 添 欲 翼 蜕 轮 叹 聋 棉 字 挎 潦 腥 育 荐 判 黔 产 敖 离 寂 脐 但 排 织 炔 韧 沫 展 姿 搀 蔑 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 52 out 刃型位错的应力场 刃型位错的应力场要比螺型位错复杂得多。 假设一样，若空心的弹性圆柱体切开，使切 面两侧沿径向(x轴方向)相对位移一个b的距离
40、 ，再胶合起来就形成一个正刃型位错应力场. 根据此模型，按弹性理论 可求得刃型位错诸应力分量为： 愈 自 何 植 撼 弧 忿 笺 有 鞍 涣 垣 萨 扮 鉴 躺 藻 硬 蝶 滴 溉 涨 费 栈 占 侵 铱 庞 彬 挚 么 涌 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 53 out 公式不能用 于刃型位错的中 心区. 买 此 苇 器 居 煮 老 摘 奏 孝 疆 谱 妨 倒 阻 剥 炮 站 老 捻 锑 妇 巨 嫡 镇 借 莉 捉 灰 喝 准 照 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 54 out 总结: 刃型位错应力场的特点 (1)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
41、比，与r成反比， 即随着与位错距离的增大，应力的绝对值减 小。 (2)各应力分量都是x、y的函数，而与z无关。 这表明在平行于位错线的直线上，任一点的 应力均相同。 (3)刃型位错的应力场对 称于多余半原子面 (y-z面)，即对称于y轴。 披 诫 期 宋 服 贿 展 赣 缸 棘 路 青 哨 棒 躬 星 洼 纹 祭 袄 夫 魄 瓶 郡 煎 啡 阻 唇 具 儿 庆 供 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 55 out (4) y0时，xx yy0，说明在滑移面上没有正应 力, 只有切应力，而且切应力xy达到极大植。 (5) y0时， xx0；而y0时， xx0。正刃型位 错的位错滑移面上侧为压
42、应力滑移面下侧为张 应力。 (6)在应力场的任意位置处，l xx l l yy l (7) x=y时， xy 和yy均为零，说明直角坐标的两条 对角线处，只有 xx, 且在每条对角线的两侧xy及 yy的符号相反。 敷 越 庙 隔 屈 肇 瞬 淳 裹 蒲 耘 砾 磐 鞭 锭 湍 商 羔 括 葡 慕 癣 已 杀 岂 腾 瑰 冯 曼 微 险 绦 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 56 out 刃型位错周围的应力分布情况 上侧压应力 下侧拉应力 滑移面上只有切应力 对角线处只有 xx 拐 执 秩 援 括 摆 徘 玻 佯 尘 经 鄂 簧 干 加 铁 抢 暇 湃 府 终 樊 套 功 藻 儿 虑 氮
43、困 沼 诽 畜 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 57 out .位错的应变能 位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量 增加，这部分能量称位错的应变能，或称位错的能量 。 位错应力场引起的弹性应变能量Ee 位错中心畸变能Ec 位错中心区域由于点阵畸变很大。不能用虎克定律，而 需借助于点阵模型直接考虑晶体结构和原子间的相互作用。 据估算，这部分能量大约为总应变能的l/10-1/15左右，故常 予以忽略 此项能量可采用连续介质弹性模型根据单位长度位 错所作的功求得。 骏 钡 社 蒙 甥 眷 铡 枫 钒 咆 捐 冒 丰 晕 绵 瘴 途 梧 牛 廉 烘 夹 绷 镀 佣 荆 辗 嫩 乞 冰 瑶
44、 整 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 58 out 计算如下: 单位长度刃型位错的应变能 由于在造成这个位错的过程中，沿滑移方向的位移是从0逐渐增 加到b的，因而位移是个变量，同时滑移面删上所受的力也随r而变化 。故在位移过程中，当位移为x时，切应力 为克服切应力所作的功 此即单位长度刃型位错的应变能 绑 曹 瓜 动 湍 杰 漫 达 叛 枪 槛 判 挟 瘁 滋 脊 侠 帽 灰 杜 泊 辉 芋 墩 统 览 泪 施 街 血 客 陡 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 59 out 单位长度螺型位错的应变能 单位长度混合位错的应变能 实际上，所有的直位错的能量均可用上式表达。 敞 勋 您
45、 啤 敬 帆 绳 萨 子 针 滁 椰 似 雁 甩 百 保 骂 饱 察 善 撞 糜 吕 瞩 错 琶 帆 镐 莲 瘩 冀 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 60 out 总结 坟 糙 年 峪 漠 多 总 券 招 碗 粘 侧 颐 壤 腮 岁 赤 磅 吗 胁 俺 计 赶 丛 郴 顿 囱 君 排 伟 对 贾 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 61 out .位错的线张力 位错总应变能与位错线的长度成正比。为降 低能量，位错线有力求缩短的倾向，故在位错线 上存在一种使其变直的线张力T。 线张力T类似于液体的表面张力，可定义为使位 错增加单位长度所需的能量。可近似表达为： 位错的线张力不仅驱使位
46、错变直，而且也是晶体中位 错呈三维网络分布的原因。( 位错网络中相交于同一结点的 诸位错，其线张力处于平衡状态，从而保证了位错在晶体 中的相对稳定性。) 聊 蔷 叔 霜 淘 捂 赃 寐 功 沽 为 手 饥 鲸 齿 巴 渝 疹 造 用 颧 诱 蛙 绸 云 垣 键 狭 蹋 拜 举 哎 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 62 out 一条两端固定的位错在切应力作用下将呈 曲率半径 r 的弯曲. 线张力T的水平分量 平衡时 b 沤 冶 剔 潦 扼 外 藩 羞 昭 夺 亡 饿 召 呆 细 啊 拆 笔 削 倒 滞 杖 躬 囤 噶 田 辆 稼 爹 宫 普 树 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 6
47、3 out .作用在位错的力 在外切应力的作用下，位错将在滑移面上产生 滑移运动。由于位错的移动方向总是与位错线 垂直，因此，可理解为有一个垂直于位错线的 “力”作用在位错线上。 利用虚功原理推导 设有切应力使一小段位错 线dl移动了ds距离，结果使晶体 沿滑移面产生了b的滑移，故切 应力所做的功为: 此功也相当于作用在位错上的力F使位错线 移动d s距离所作 Fd是作用在单位长度位错上的力，它与外切应力和位错的柏氏矢量成正比 ，其方向总是与位错线相垂直并指向滑移面的未滑移部分。 作 用 在 单 位 位 错 上 的 滑 移 力 益 陕 材 英 旷 凸 昼 孙 料 耸 挪 奇 湃 硷 省 膛 校 莆 码 蓬 骡 乱 钎 赡 呵 衰 拥 酷 鄂 演 拨 矫 3 晶 体 缺 陷 3 晶 体 缺 陷 64 out 用于位错的力Fd只是一种组态力，它不代表位错附近原子 实际所受到的力. 只要作用在晶体上的切应力是均匀的， 那么各段位错线所受的力的大小完全相同。 纯螺型位