實(shí)際晶體中位錯(cuò)

1、1 1 第三章第三章 實(shí)際晶體中的位錯(cuò)行為實(shí)際晶體中的位錯(cuò)行為 多種位錯(cuò)形式多種位錯(cuò)形式 多種位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形式多種位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形式 多種位錯(cuò)作用形式多種位錯(cuò)作用形式 2 2 3.1 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)類型實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)類型 1.全位錯(cuò)全位錯(cuò) 柏氏矢量等于最短的點(diǎn)陣平移矢量的柏氏矢量等于最短的點(diǎn)陣平移矢量的 位錯(cuò)位錯(cuò) 4 4 全位錯(cuò)可能會(huì)發(fā)生反應(yīng)全位錯(cuò)可能會(huì)發(fā)生反應(yīng) 包括合并（包括合并（ Merging ）與分解）與分解 （Dissociation） 位錯(cuò)反應(yīng)需滿足幾何條件與能量條件位錯(cuò)反應(yīng)需滿足幾何條件與能量條件 幾何條件幾何條件 能量條件能量條件 beforeafter bb 2 2 bef

2、oreafter bb 5 5 例：例： 6 6 全位錯(cuò)可通過(guò)全位錯(cuò)可通過(guò) 如上過(guò)程變?yōu)槿缟线^(guò)程變?yōu)?擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò) 110121211 266 aaa 7 7 2.堆垛層錯(cuò)與不全位錯(cuò)堆垛層錯(cuò)與不全位錯(cuò) 正常堆垛時(shí)無(wú)晶體缺陷形成正常堆垛時(shí)無(wú)晶體缺陷形成 8 8 層錯(cuò)層錯(cuò)由于晶體的堆垛次序變化破壞了由于晶體的堆垛次序變化破壞了 周期性機(jī)構(gòu)而形成的晶體缺陷。周期性機(jī)構(gòu)而形成的晶體缺陷。Stacking Fault(SF) 層錯(cuò)矢量為層錯(cuò)矢量為a/3 9 9 層錯(cuò)能層錯(cuò)能(Stacking Fault Energy.SFE) 指形成單位面積層錯(cuò)所增加的能量指形成單位面積層錯(cuò)所增加的能量 在數(shù)值上等

3、于相應(yīng)密排面的表面張力在數(shù)值上等于相應(yīng)密排面的表面張力 層錯(cuò)能隨材料種類而不同：層錯(cuò)能隨材料種類而不同： 通常體心立方的層錯(cuò)能較高，面心與密排通常體心立方的層錯(cuò)能較高，面心與密排 結(jié)構(gòu)的層錯(cuò)能較低（但結(jié)構(gòu)的層錯(cuò)能較低（但Al，Ni特殊）特殊） 金屬金屬Ag AuCuAlNiCo (J/cm2) 0.02 0.06 0.04 0.20.250.02 1010 堆垛層錯(cuò)的邊界與位錯(cuò)緊密相連堆垛層錯(cuò)的邊界與位錯(cuò)緊密相連 b=a/3 1111 3.不全位錯(cuò)不全位錯(cuò) 柏氏矢量小于最短的點(diǎn)陣平移矢量的柏氏矢量小于最短的點(diǎn)陣平移矢量的 位錯(cuò)位錯(cuò) 可分為肖克萊（可分為肖克萊（Shockley）不全位錯(cuò)）不全位

4、錯(cuò) 與弗蘭克（與弗蘭克（Frank）不全位錯(cuò)）不全位錯(cuò) 以下討論面心立方結(jié)構(gòu)中的不全位錯(cuò)以下討論面心立方結(jié)構(gòu)中的不全位錯(cuò) 1212 沿密排面滑移形成沿密排面滑移形成 的不全位錯(cuò)的不全位錯(cuò) (Shockley Partial Dislocation) b=a/6 1313 1414 1515 層錯(cuò)邊緣為弗蘭克不全位錯(cuò)層錯(cuò)邊緣為弗蘭克不全位錯(cuò) 插入或抽出半層密排面形成的不全位錯(cuò)插入或抽出半層密排面形成的不全位錯(cuò) （Frank Partial Dislocation） b=a/3 1616 1717 1818 1919 4.擴(kuò)展位錯(cuò)擴(kuò)展位錯(cuò) 指一個(gè)位錯(cuò)分解成指一個(gè)位錯(cuò)分解成 兩個(gè)不全位錯(cuò)，其兩個(gè)不全

5、位錯(cuò)，其 中間夾著一片層錯(cuò)中間夾著一片層錯(cuò) 的位錯(cuò)組態(tài)的位錯(cuò)組態(tài) 2020 2121 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度 即擴(kuò)展位錯(cuò)中層錯(cuò)區(qū)的寬度即擴(kuò)展位錯(cuò)中層錯(cuò)區(qū)的寬度 當(dāng)不全位錯(cuò)的相互排斥作用與層錯(cuò)能當(dāng)不全位錯(cuò)的相互排斥作用與層錯(cuò)能引引 起的表面張力平衡時(shí)，擴(kuò)展位錯(cuò)有一平起的表面張力平衡時(shí)，擴(kuò)展位錯(cuò)有一平 衡寬度衡寬度 22 22 1cos 8128 GbvvGb dK vv 2222 5.面角位錯(cuò)面角位錯(cuò) 是固定位錯(cuò)的一種，兩個(gè)滑移面上的位是固定位錯(cuò)的一種，兩個(gè)滑移面上的位 錯(cuò)滑移相遇后發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)，在滑移面錯(cuò)滑移相遇后發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)，在滑移面 相交處形成一處不能滑移的位錯(cuò)群的組相交處形成一處不

6、能滑移的位錯(cuò)群的組 態(tài)態(tài) 2323 2424 全位錯(cuò)分解全位錯(cuò)分解 領(lǐng)先位錯(cuò)反應(yīng)領(lǐng)先位錯(cuò)反應(yīng) 形成面角位錯(cuò)形成面角位錯(cuò)（Lomer-Cottrell） 110121211 266 101211112 266 aaa aaa 121112011 666 aaa 110101211011211 22666 aaaaa SFSF 2525 3.2 FCC的位錯(cuò)反應(yīng)與的位錯(cuò)反應(yīng)與Thompson記號(hào)記號(hào) 包括合并（包括合并（ Merging ）與分解）與分解 （Dissociation） 位錯(cuò)反應(yīng)需滿足幾何條件與能量條件位錯(cuò)反應(yīng)需滿足幾何條件與能量條件 幾何條件幾何條件 能量條件能量條件 before

7、after bb 2 2 beforeafter bb 2626 Thompson記號(hào)記號(hào) - 2727 - 2828 Thompson記號(hào)的含義記號(hào)的含義 四個(gè)面四個(gè)面 ：111 四面體的棱邊：四面體的棱邊：12個(gè)全位錯(cuò)的個(gè)全位錯(cuò)的 b=1/2 AB,CD,BD 各面頂點(diǎn)與中心連線：各面頂點(diǎn)與中心連線：24個(gè)個(gè)Shockley位位 錯(cuò)的錯(cuò)的b=1/6. A,B,D 四面體頂點(diǎn)與所對(duì)三角形中點(diǎn)連線：四面體頂點(diǎn)與所對(duì)三角形中點(diǎn)連線：8個(gè)個(gè) Frank位錯(cuò)的位錯(cuò)的b=1/3. A,B,C,D. 4個(gè)面中心相連：壓桿位錯(cuò)個(gè)面中心相連：壓桿位錯(cuò)1/6. ,. 2929 Thompson記號(hào)的用途記號(hào)的

8、用途 判斷位錯(cuò)反應(yīng)判斷位錯(cuò)反應(yīng) 判斷不同性質(zhì)位錯(cuò)線的方位判斷不同性質(zhì)位錯(cuò)線的方位 3030 3.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)晶體的塑性變形位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)晶體的塑性變形 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易決定晶體強(qiáng)度的高低位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易決定晶體強(qiáng)度的高低 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形式位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形式 滑移滑移 攀移攀移 交滑移交滑移 3131 1.滑移（滑移（Slipping） 保守運(yùn)動(dòng)保守運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)在滑移面上滑動(dòng)位錯(cuò)在滑移面上滑動(dòng) 滑動(dòng)所需應(yīng)力較小滑動(dòng)所需應(yīng)力較小 3232 刃型位錯(cuò)的滑移刃型位錯(cuò)的滑移 b / v / b / 滑移面：滑移面： 唯一：唯一： 晶體的滑移方向：晶體的滑移方向： nb b 3333 螺型

9、位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移 晶體的滑移方向：晶體的滑移方向： b / / v ( b , ,) 滑移面：滑移面： 多個(gè)；多個(gè)； 可以是包含位錯(cuò)線可以是包含位錯(cuò)線 的任意滑移面的任意滑移面 b 3434 混合位錯(cuò)的滑移混合位錯(cuò)的滑移 位錯(cuò)線的滑移方向與位錯(cuò)線處處垂直位錯(cuò)線的滑移方向與位錯(cuò)線處處垂直 晶體的滑移方向：晶體的滑移方向： b 3535 3636 2.刃型位錯(cuò)的攀移刃型位錯(cuò)的攀移(Climbing) 位錯(cuò)在垂直于滑移面方向運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在垂直于滑移面方向運(yùn)動(dòng) 由原子或空位的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)由原子或空位的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn) 非保守運(yùn)動(dòng)（有體積變化）非保守運(yùn)動(dòng)（有體積變化） 需要的能量大，高溫易激活需要的能量大，高溫

10、易激活 3737 攀移與溫度的關(guān)系攀移與溫度的關(guān)系 1）攀移阻力）攀移阻力 Vdl b 單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線產(chǎn)生正攀移單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線產(chǎn)生正攀移 dl，在此高度上畸變（厚度），在此高度上畸變（厚度） 減輕減輕b，引起的體積減少為：，引起的體積減少為： 設(shè)一個(gè)空位的體積為設(shè)一個(gè)空位的體積為b3，則該，則該 體積減少對(duì)應(yīng)的空位數(shù)增加為：體積減少對(duì)應(yīng)的空位數(shù)增加為： 設(shè)單個(gè)空位的形成能為設(shè)單個(gè)空位的形成能為u1，則，則 攀移需要的能量為：攀移需要的能量為： 攀移的阻力為：攀移的阻力為： 32 Vdl dN bb 2 11 dl dudN uu b 1 2 0,0 r r u du F dl b dlF 38

11、38 Vdl b 單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線產(chǎn)生正攀移單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線產(chǎn)生正攀移dl，在此高度上畸變（厚度），在此高度上畸變（厚度） 減輕減輕b，引起的體積減少為：，引起的體積減少為： 設(shè)一個(gè)空位的體積為設(shè)一個(gè)空位的體積為b3，則該體積減少對(duì)應(yīng)的空位數(shù)，則該體積減少對(duì)應(yīng)的空位數(shù) 增加為：增加為： 設(shè)單個(gè)空位的形成能為設(shè)單個(gè)空位的形成能為u1，則攀移需要的能量為：，則攀移需要的能量為： 攀移的阻力為：攀移的阻力為： 32 Vdl dN bb 2 11 dl dudN uu b 1 2 0,0 r r u du F dl b dlF 3939 2）攀移的驅(qū)動(dòng)力）攀移的驅(qū)動(dòng)力 之一：彈性攀移力之一：彈性攀移力 （

12、Climbing Force） 0,0 0,0 yxx xxy xxy Fb F F 拉應(yīng)力下，負(fù)攀移拉應(yīng)力下，負(fù)攀移 壓應(yīng)力下，正攀移壓應(yīng)力下，正攀移 4040 2）攀移的驅(qū)動(dòng)力）攀移的驅(qū)動(dòng)力 之二：滲透力（之二：滲透力（Penetrability） 晶體中的過(guò)飽和空位或晶體中的過(guò)飽和空位或 間隙原子滲透并聚集到間隙原子滲透并聚集到 位錯(cuò)線上產(chǎn)生刃位錯(cuò)的位錯(cuò)線上產(chǎn)生刃位錯(cuò)的 正攀移或負(fù)攀移，該力正攀移或負(fù)攀移，該力 稱為滲透力。稱為滲透力。 滲透力與空位或間隙原滲透力與空位或間隙原 子的過(guò)飽和度有關(guān)。子的過(guò)飽和度有關(guān)。 4141 設(shè)單個(gè)空位的形成能為設(shè)單個(gè)空位的形成能為u1 ，晶體中的，晶體

13、中的 空位數(shù)為空位數(shù)為n，原子數(shù)為，原子數(shù)為N，則空位的平，則空位的平 衡濃度衡濃度C0為：為： 1 0 exp() un C NkT 空位濃度為空位濃度為C（C C0 ）時(shí)，空位形成能）時(shí)，空位形成能u1 （ u1 u1 ） 滿足：滿足： 1 exp() un C NkT 兩式取對(duì)數(shù)相減：兩式取對(duì)數(shù)相減： 11 0 011 0 11 lnln ln ln uu CC kTkT Cuu CkT C uukT C 4242 考慮攀移阻力考慮攀移阻力1 2 0,0 r r u du F dl b dlF 有滲透力作用時(shí)，攀移阻力為：有滲透力作用時(shí)，攀移阻力為： 1 2 r u F b 減小的攀移阻

14、力即為滲透力減小的攀移阻力即為滲透力Fs： 11 22 0 22 0 1 lnln uu Fs bb CkTC FskT bCbC 溫度越高，空位濃度越大，滲透力越大，刃位錯(cuò)容易攀移溫度越高，空位濃度越大，滲透力越大，刃位錯(cuò)容易攀移 4343 3.螺型位錯(cuò)的交滑螺型位錯(cuò)的交滑 移移 指螺型位錯(cuò)在一個(gè)滑移指螺型位錯(cuò)在一個(gè)滑移 面上受阻時(shí)，可以選擇面上受阻時(shí)，可以選擇 相交的另一滑移面繼續(xù)相交的另一滑移面繼續(xù) 滑移的行為。滑移的行為。 雙交滑移：交滑移后再雙交滑移：交滑移后再 次轉(zhuǎn)回與原滑移面平行次轉(zhuǎn)回與原滑移面平行 的滑移面上滑移的滑移面上滑移 波浪形滑移線波浪形滑移線 4444 FCC的雙交滑

15、移的雙交滑移 - 4545 BCC的交滑移的交滑移共同滑移方向共同滑移方向 4646 4.擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑 移移 (111): 211121110 662 (111): 110121211 266 BCBC aaa BCBC aaa 擴(kuò)展位錯(cuò)先行束集，以全位錯(cuò)形式交滑移到新擴(kuò)展位錯(cuò)先行束集，以全位錯(cuò)形式交滑移到新 的滑移面后再次擴(kuò)展的滑移面后再次擴(kuò)展 4747 - (111): 211121110 662 (111): 110121211 266 BCBC aaa BCBC aaa 擴(kuò)展位錯(cuò)先行束集，以全位錯(cuò)形式交滑移到新擴(kuò)展位錯(cuò)先行束集，以全位錯(cuò)形式交滑移到新 的滑移面后再次擴(kuò)展

16、的滑移面后再次擴(kuò)展 4848 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度影響其束集擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度影響其束集 層錯(cuò)能低，寬度大，束集困難，交滑移層錯(cuò)能低，寬度大，束集困難，交滑移 困難困難 22 22 1cos 8128 GbvvGb dK vv 4949 3.3 位錯(cuò)其他形式作用位錯(cuò)其他形式作用 包括：包括： 位錯(cuò)的增殖位錯(cuò)的增殖 位錯(cuò)的交割位錯(cuò)的交割 帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)的平面塞積位錯(cuò)的平面塞積 5050 1.位錯(cuò)增殖（位錯(cuò)增殖（Multiplication） Flank-Read機(jī)制機(jī)制 螺位錯(cuò)雙交滑移機(jī)制螺位錯(cuò)雙交滑移機(jī)制 5151 F-R源源 2 2 min 1 2 2 2 2 , c c TG

17、b Gb f r fGb br GbGb rL 開(kāi)動(dòng)F-R源 5252 2 2 2 sin 2 1 2 2 2 d T FTdT f dsdsdsr TGb Gb f r fGb br 5353 單邊位錯(cuò)源單邊位錯(cuò)源 5454 雙交滑移機(jī)制雙交滑移機(jī)制 螺位錯(cuò)雙交滑移后螺位錯(cuò)雙交滑移后AC，DB成為刃型的割階，在成為刃型的割階，在 C,D兩點(diǎn)使位錯(cuò)線兩點(diǎn)使位錯(cuò)線CD釘扎，形成了第二個(gè)（釘扎，形成了第二個(gè)（111） 面上的面上的F-R源并不斷釋放新的位錯(cuò)。源并不斷釋放新的位錯(cuò)。 5555 F-R源源+兩個(gè)單邊兩個(gè)單邊F-R源源 5656 2.運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割（運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割（Jogging） 晶體

18、中眾多處于不同滑移面的位錯(cuò)線在與晶體中眾多處于不同滑移面的位錯(cuò)線在與 其他位錯(cuò)相遇時(shí)會(huì)相互穿越形成附加的折其他位錯(cuò)相遇時(shí)會(huì)相互穿越形成附加的折 線（臺(tái)階）線（臺(tái)階） 臺(tái)階與原位錯(cuò)具有相同滑移面時(shí)，稱為扭臺(tái)階與原位錯(cuò)具有相同滑移面時(shí)，稱為扭 折（折（Kink） 臺(tái)階與原位錯(cuò)滑移面不同時(shí)，稱為割階臺(tái)階與原位錯(cuò)滑移面不同時(shí)，稱為割階 （Jog） 5757 1）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯(cuò)的交割）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯(cuò)的交割 折線折線PP是一割階：是一割階： b=b2b=b2， PP b2b2，高度，高度=b1=b1，刃型，滑移面為臺(tái)階面，刃型，滑移面為臺(tái)階面 此割階可滑移，有阻礙作用此割階可滑移，有阻

19、礙作用 5858 2）兩柏氏矢量平行的刃型位錯(cuò)的交割）兩柏氏矢量平行的刃型位錯(cuò)的交割 折線折線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，有阻礙作用，最終因線張力作用而消失扭折可滑移，有阻礙作用，最終因線張力作用而消失 5959 3）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯(cuò)與螺型位）兩柏氏矢量垂直的刃型位錯(cuò)與螺型位 錯(cuò)的交割錯(cuò)的交割 折線折線MM, NN均為割階：均為割階： MM:b=b1:b=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=b2b=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 6060 4）兩柏氏矢量垂直的螺型位錯(cuò)的交割）兩柏氏矢量垂直的螺型位錯(cuò)的交割 均形成刃型臺(tái)階，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大。均形成刃型臺(tái)階，