材料的結(jié)構(gòu)缺陷

1、金屬學(xué)與熱處理金屬學(xué)與熱處理 Metallography & Heat Treatment主講人：潘堯坤主講人：潘堯坤沿晶斷口沿晶斷口鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達(dá)幾個鑄造金屬可達(dá)幾個mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖 點(diǎn)缺陷（點(diǎn)缺陷（Point defect）：）：最簡單的晶體缺陷，在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微最簡單的晶體缺陷，在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列。在空間三維方向上的尺寸都很小，約。在空間三維方向上的尺寸都很小，約為一個、幾個原子間距，又稱為一個、幾個原子間距，又稱零維缺陷

2、零維缺陷。包括包括空位空位(Vacancy)、間隙原子間隙原子(Interstitial atom)、雜質(zhì)雜質(zhì)(Impurity)、溶溶質(zhì)質(zhì)原子原子(Solute atom)等。等。 線缺陷線缺陷（Linear defect）：）：在一個方向上的缺陷擴(kuò)展很大（尺寸很在一個方向上的缺陷擴(kuò)展很大（尺寸很大），其它兩個方向上尺寸很小，也稱為大），其它兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷一維缺陷。主要為主要為位錯位錯(Dislocation)。 面缺陷面缺陷（Planar defect）：）：在兩個方向上的缺陷擴(kuò)展很大，其它一個在兩個方向上的缺陷擴(kuò)展很大，其它一個方向上尺寸很小，也稱為方向上尺寸很小，也

3、稱為二維缺陷二維缺陷。包括包括晶界晶界(Grain boundary)、相界相界(Phase boundary)、孿晶界孿晶界(Twin boundary)、堆垛層錯堆垛層錯(Stacking fault)等。等。4.1 4.1 空位的形成與平衡濃度空位的形成與平衡濃度 晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子以其平晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子以其平衡位置為中心作衡位置為中心作熱振動熱振動，當(dāng)某些原子，當(dāng)某些原子振動能量起伏高于勢壘時，將克服周振動能量起伏高于勢壘時，將克服周圍原子的制約而跳離平衡位置，使得圍原子的制約而跳離平衡位置，使得點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位?？瘴?。 空位產(chǎn)生后，其周圍原子

4、相互間的作用力失去平衡，因而它空位產(chǎn)生后，其周圍原子相互間的作用力失去平衡，因而它們們朝空位方向朝空位方向稍有移動，形成一個涉及稍有移動，形成一個涉及幾個原子間距范圍幾個原子間距范圍的的彈性彈性畸變區(qū)畸變區(qū)，即，即晶格畸變晶格畸變。A. A. 空位空位 (Vacancy)(Vacancy)空位空位晶格中某些缺排晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)原子的空結(jié)點(diǎn)空位的分類空位的分類 (Classifications of vacancies)(a) 遷移到晶體外表面或內(nèi)界面（如晶界處）的正常結(jié)點(diǎn)位置，遷移到晶體外表面或內(nèi)界面（如晶界處）的正常結(jié)點(diǎn)位置，使晶體內(nèi)部留下空位。使晶體內(nèi)部留下空位。(b) 跳入間隙

5、位置，在跳入間隙位置，在晶體中形成數(shù)目相等晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子。的空位和間隙原子。弗蘭克爾弗蘭克爾（Frenkel）缺陷缺陷離開平衡位置的離位原子離開平衡位置的離位原子:(c) 還可以跑到其他空還可以跑到其他空位中，使空位消失或位中，使空位消失或者空位移位。者空位移位。肖脫基（肖脫基（Schottky）缺陷缺陷B. B. 間隙原子間隙原子 ( (Interstitial atom)間隙原子間隙原子 擠進(jìn)晶格間隙中的原子，擠進(jìn)晶格間隙中的原子，可以是基體金屬原子，也可以是基體金屬原子，也可以是外來原子?？梢允峭鈦碓印?間隙原子間隙原子同樣會使周圍點(diǎn)陣產(chǎn)生同樣會使周圍點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性畸

6、變彈性畸變，而且畸變程，而且畸變程度要比空位引起的度要比空位引起的畸變大畸變大的多，因此，的多，因此，形成能大形成能大，在晶體中，在晶體中的的濃度很低濃度很低。小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子 取代原來原子位置取代原來原子位置的外來原子的外來原子C. 置換原子置換原子 (Substitutional atom)點(diǎn)缺陷的存在：點(diǎn)缺陷的存在：(a) 造成點(diǎn)陣畸變造成點(diǎn)陣畸變 系統(tǒng)內(nèi)能升高系統(tǒng)內(nèi)能升高 降低晶體的熱力學(xué)降低晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性穩(wěn)定性。(b) 增大原子排列的混亂程度，并改變周圍原子的振動增大原子排列的混亂程度，并改變周圍原子的振動頻率頻率 系統(tǒng)系統(tǒng)組態(tài)熵和振動熵組態(tài)熵和振動熵升高

7、升高 增加晶體的熱力學(xué)增加晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性穩(wěn)定性在一定溫度下具有一定的平衡濃度在一定溫度下具有一定的平衡濃度沒有任何缺陷的完整晶體在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的么？沒有任何缺陷的完整晶體在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的么？ 設(shè)在設(shè)在1個含有個含有N個陣點(diǎn)的晶體點(diǎn)陣中引進(jìn)個陣點(diǎn)的晶體點(diǎn)陣中引進(jìn)n個空位，則體個空位，則體系的自由能變化為系的自由能變化為 令：形成一個空位所需能量為令：形成一個空位所需能量為Ev，當(dāng)含有，當(dāng)含有n個空位時，個空位時，其內(nèi)能增加為其內(nèi)能增加為E=nEv，振動熵振動熵的改變?yōu)榈母淖優(yōu)閚Sv，體系，體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)熵（或稱組態(tài)熵、排列熵）熵（或稱組態(tài)熵、排列熵）的改變?yōu)榈母淖優(yōu)镾c，則自由能的變化

8、，則自由能的變化為為4.1.1 空位的平衡濃度空位的平衡濃度STEG)(cvvSSnTEnG結(jié)構(gòu)熵（組態(tài)熵）結(jié)構(gòu)熵（組態(tài)熵） 幾個空位在點(diǎn)陣中可以有許多種不同的幾何排列方式，幾個空位在點(diǎn)陣中可以有許多種不同的幾何排列方式， Sc可由可由S=kln確定。確定。為構(gòu)成某種宏觀狀態(tài)中微觀可以存在為構(gòu)成某種宏觀狀態(tài)中微觀可以存在的組態(tài)數(shù)目。的組態(tài)數(shù)目。 在在N個點(diǎn)陣上，個點(diǎn)陣上，n個空位的引入，可能的原子排列方式有個空位的引入，可能的原子排列方式有Wn個：個： 在在N個陣點(diǎn)的晶體系統(tǒng)中，有個陣點(diǎn)的晶體系統(tǒng)中，有n個空位，其結(jié)構(gòu)熵變個空位，其結(jié)構(gòu)熵變 Sc=S(n個空位個空位)-S(0個空位個空位)=k

9、lnn-kln0=klnn，n=Wn N和和n的值非常大，用斯特林近似的值非常大，用斯特林近似得：得： 可得可得Sc0，表明，增加空位過程，結(jié)構(gòu)熵增加，有利于表明，增加空位過程，結(jié)構(gòu)熵增加，有利于過程進(jìn)行。過程進(jìn)行。為什么？為什么？振動熵振動熵 據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)，增加據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)，增加1個空位所引起的周圍原子振動熵的改變個空位所引起的周圍原子振動熵的改變值的近似式為值的近似式為 為空位周圍的原子的最終頻率，為空位周圍的原子的最終頻率，為這些原子的初始頻率。為這些原子的初始頻率。空位有增加其周圍原子的振動振幅和減少振動頻率的趨勢?？瘴挥性黾悠渲車拥恼駝诱穹蜏p少振動頻率的趨勢。故故/1，S0，表明，

10、增加空位過程，振動熵增加，亦有利于表明，增加空位過程，振動熵增加，亦有利于過程進(jìn)行。過程進(jìn)行。為什么？為什么？ 實(shí)驗(yàn)研究表明，對不同材料的各種晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究表明，對不同材料的各種晶體結(jié)構(gòu)S值值相差不大。相差不大。據(jù)據(jù)G=nE-T(nS+Sc)繪圖繪圖ne平衡時自由能最小，求導(dǎo)，即平衡時自由能最小，求導(dǎo)，即則空位在則空位在T溫度時的空位平衡濃度溫度時的空位平衡濃度C為：為： 其中，其中， k為波爾茲曼常數(shù)（為波爾茲曼常數(shù)（1.38x10-23 J/K或或8.62x10-5 eV/K)類似地，間隙原子平衡濃度類似地，間隙原子平衡濃度C ： kTEAkTEkSNnCvvexpexpexpvkTEA

11、kTEkSNnCvvexpexpexpv()0TFnG G 一般地，晶體中一般地，晶體中間隙原子間隙原子的的形成能形成能比比空位空位的形成能的形成能大大3-4倍倍，間隙原子的量與空位相比可以忽略。，間隙原子的量與空位相比可以忽略。例如：例如：Cu的空位形成能為的空位形成能為1.710-19J，間隙原子的形成能為間隙原子的形成能為4.810-19J，A取取1。在。在1273K時，空位的平衡濃度時，空位的平衡濃度C10-4，間隙原子的間隙原子的C10-14，C/C 1010。所以間隙原子可忽略不計(jì)。所以間隙原子可忽略不計(jì)。形成形成1個空位的形成能個空位的形成能1eV形成形成1mol空位的形成能約空

12、位的形成能約100 kJ/mol 由于由于熱振動中的能量起伏熱振動中的能量起伏促使原子脫離點(diǎn)陣位置促使原子脫離點(diǎn)陣位置而形成的點(diǎn)缺陷。而形成的點(diǎn)缺陷。 這是晶體內(nèi)原子熱運(yùn)動的這是晶體內(nèi)原子熱運(yùn)動的內(nèi)部條件內(nèi)部條件決定的。決定的。 改變改變外部條件外部條件形成的點(diǎn)缺陷，包括高溫淬火、冷形成的點(diǎn)缺陷，包括高溫淬火、冷變形加工、高能粒子輻照等，這時的點(diǎn)缺陷濃度超過變形加工、高能粒子輻照等，這時的點(diǎn)缺陷濃度超過了平衡濃度，稱為了平衡濃度，稱為過飽和點(diǎn)缺陷過飽和點(diǎn)缺陷 。平衡點(diǎn)缺陷平衡點(diǎn)缺陷 (Thermal equilibrium point defect)過飽和點(diǎn)缺陷過飽和點(diǎn)缺陷 (Supersat

13、urated point defect)點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的運(yùn)動產(chǎn)生的影響：點(diǎn)缺陷的運(yùn)動產(chǎn)生的影響： 晶體中的原子正是由于晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生和復(fù)合空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生和復(fù)合，才不停地由一處向另一處作才不停地由一處向另一處作無規(guī)則的布朗運(yùn)動無規(guī)則的布朗運(yùn)動，這就是晶體中，這就是晶體中原子的原子的自擴(kuò)散。自擴(kuò)散。它是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)它是固態(tài)相變、表面化學(xué)熱處理、蠕變、燒結(jié)的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。晶體結(jié)構(gòu)的變化：晶體結(jié)構(gòu)的變化：晶格畸變（如晶格畸變（如空位空位引起晶格引起晶格收縮收縮，間隙原子間隙原子引起晶格引起晶格膨脹膨脹，置換置換原子可引起原

14、子可引起收縮或膨脹收縮或膨脹。）。）晶體性能的變化：晶體性能的變化：物理性能（如電阻率增大，密度減?。┪锢硇阅埽ㄈ珉娮杪试龃?，密度減小）力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高）力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高） 原子自擴(kuò)散激活能相當(dāng)于空位形成能與遷移能的總和。原子自擴(kuò)散激活能相當(dāng)于空位形成能與遷移能的總和。4.1.2 空位的力學(xué)行為空位的力學(xué)行為空位遷移能空位遷移能Em 線缺陷線缺陷各種類型的位錯。它各種類型的位錯。它是指晶體中的原子發(fā)生了是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律有規(guī)律的錯排的錯排現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯排的范圍其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯排的范圍只在只在一維方向一維方向上很大，是一個直上很大，是一個直徑為徑為3 3

15、5 5個原子間距個原子間距，長數(shù)百個，長數(shù)百個原子間距以上的原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)管狀原子畸變區(qū)。 位錯是一種極為重要的晶體缺位錯是一種極為重要的晶體缺陷，對陷，對金屬強(qiáng)度金屬強(qiáng)度、塑性變形塑性變形、擴(kuò)擴(kuò)散散和和相變相變等有顯著影響。等有顯著影響。 位錯基本類型：位錯基本類型：刃型位錯、螺刃型位錯、螺型位錯和混合位錯型位錯和混合位錯。Dislocations in Titanium alloyTEM 51450 x4.2.1 位錯位錯（Dislocation）理論的提出理論的提出 起源：塑性變形起源：塑性變形(plastic deformation)滑移痕跡滑移痕跡 滑移線滑移線-滑移滑

16、移(slip) 最初模型：最初模型：“剛性相對滑動模型剛性相對滑動模型” 近似計(jì)算臨界切應(yīng)力近似計(jì)算臨界切應(yīng)力 t tm = G/2 (G 晶體切變模量）晶體切變模量） 一般工程用金屬的切一般工程用金屬的切變模量變模量約為：約為：104105MPa 金屬的金屬的理論臨界切應(yīng)力理論臨界切應(yīng)力： 103104MPa 金屬的金屬的實(shí)際屈服強(qiáng)度實(shí)際屈服強(qiáng)度： 110MPa 1934年，年，Taylor、Orowan、Polanyi提出提出“位錯模型位錯模型”， 滑移是通過稱為位錯的運(yùn)動而進(jìn)行的。滑移是通過稱為位錯的運(yùn)動而進(jìn)行的。 1950年代后，位錯模型為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證年代后，位錯模型為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證 現(xiàn)在，

17、位錯是晶體性能研究中現(xiàn)在，位錯是晶體性能研究中最重要的概念最重要的概念 被廣泛用來研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，被廣泛用來研究固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學(xué)，表面及催化等。表面及催化等。相差相差3-43-4個數(shù)量級個數(shù)量級即即1 1千至千至1 1萬倍萬倍4.2.2 位錯的基本類型和特征位錯的基本類型和特征刃型位錯刃型位錯A. 若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯線稱為若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯線稱為正刃型位錯（正刃型位錯（ ），反之，則稱為，反之，則稱為負(fù)刃型位錯（負(fù)刃型位錯（ ）。兩者。兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。沒有本質(zhì)區(qū)別。B. B. 刃型位錯線可以理解

18、為刃型位錯線可以理解為已滑移區(qū)已滑移區(qū)和和未滑移區(qū)未滑移區(qū)的分界線，它的分界線，它不一定是直線。不一定是直線。刃形位錯平面示意圖 正刃型位錯正刃型位錯；負(fù)刃型位錯；負(fù)刃型位錯 C. C. 滑移面滑移面是同時包括位錯線和滑移矢量的平面，刃型位錯的位錯線和滑移是同時包括位錯線和滑移矢量的平面，刃型位錯的位錯線和滑移矢量互相垂直，一個刃型位錯所構(gòu)成的矢量互相垂直，一個刃型位錯所構(gòu)成的滑移面只有一個滑移面只有一個；D. D. 位錯的存在使得位錯周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)位錯的存在使得位錯周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。對正刃型位錯而言，變。對正刃型位錯而言，位錯線上、

19、下部臨近范圍內(nèi)原子受到位錯線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力、拉壓應(yīng)力、拉應(yīng)力應(yīng)力, 離位錯線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常；離位錯線較遠(yuǎn)處原子排列恢復(fù)正常；E. 在位錯線周圍的畸變區(qū)內(nèi)，每個原子具有較大的平均能量。這個區(qū)域只在位錯線周圍的畸變區(qū)內(nèi)，每個原子具有較大的平均能量。這個區(qū)域只有幾個原子間距寬，是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。有幾個原子間距寬，是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)t tt tbbaat tt tl 螺型位錯：螺型位錯：位錯附近的原子是按位錯附近的原子是按螺旋形螺旋形排列的。排列的。l 位錯線位錯線（bbbb、

20、BC）：已滑移區(qū)已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的和未滑移區(qū)的分界線分界線。l 畸變區(qū)畸變區(qū)（aaaab bb b）：約幾個原約幾個原子間距寬、上下層原子位置不相子間距寬、上下層原子位置不相吻合的過渡區(qū)，原子的正常排列吻合的過渡區(qū)，原子的正常排列遭破壞遭破壞。螺型位錯也是螺型位錯也是線缺陷線缺陷。A.A.螺型位錯無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱螺型位錯無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱。B.B.根據(jù)位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，可分根據(jù)位錯線附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，可分為為右旋右旋和和左旋左旋螺型位錯。螺型位錯。C.螺型位錯的螺型位錯的位錯線位錯線與與滑移矢量滑移矢量平行平行，因此

21、一定是因此一定是直線直線；位錯線的；位錯線的移動方向移動方向與與晶體晶體滑移方向滑移方向互相垂直?；ハ啻怪薄.純螺型位錯的純螺型位錯的滑移面不是唯一滑移面不是唯一的；凡的；凡包含位錯線的平面都可作為滑移面；一包含位錯線的平面都可作為滑移面；一般，滑移通常在般，滑移通常在原子密排面原子密排面上進(jìn)行，故上進(jìn)行，故也有限。也有限。E.螺型位錯周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯線的螺型位錯周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，只有平行于位錯線的切應(yīng)變切應(yīng)變，無正應(yīng)變，故，無正應(yīng)變，故不會引起體積膨脹和收縮不會引起體積膨脹和收縮。F.螺型位錯周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減螺型位錯周圍的點(diǎn)陣畸變隨離位

22、錯線距離的增加而急劇減少，故也是幾個原子寬度的線缺陷。少，故也是幾個原子寬度的線缺陷。刃型位錯刃型位錯螺型位錯螺型位錯混合位錯：混合位錯：一種更為一種更為普遍普遍的位錯形式，其滑移矢量既的位錯形式，其滑移矢量既不平行不平行也也不垂直不垂直于位錯線，而與位錯線相交成于位錯線，而與位錯線相交成任意角度任意角度。可看作是。可看作是刃型刃型位錯和螺型位錯的混合形式。位錯和螺型位錯的混合形式。 混合位錯線是一條曲線；混合位錯線是一條曲線； 在在A處處，位錯線與滑移矢量，位錯線與滑移矢量 平行，故為平行，故為螺型位錯；螺型位錯； 在在C處處，位錯線與滑移矢量，位錯線與滑移矢量垂直，因此是垂直，因此是刃型位

23、錯；刃型位錯； 在在A與與C間位錯線：間位錯線：既不垂既不垂直也不平行于滑移矢量，其直也不平行于滑移矢量，其中每一小段位錯線都可分解中每一小段位錯線都可分解為刃型和螺型兩個分量。為刃型和螺型兩個分量。EdgeEdgeScrewScrew 因位錯線是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線，因此，位錯具有一個很因位錯線是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線，因此，位錯具有一個很重要的性質(zhì)，即位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面重要的性質(zhì)，即位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（或晶界）；（或晶界）； 位錯線若終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯線相連接，或形成封閉位錯線若終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯線相

24、連接，或形成封閉的位錯環(huán)。的位錯環(huán)。晶體中的位錯環(huán)晶體中的位錯環(huán)4.2.3 位錯的伯氏矢量位錯的伯氏矢量 Burgers vector柏氏矢量柏氏矢量 b: 用于表征不用于表征不同類型同類型位錯特征位錯特征的一個物的一個物理參量，是決理參量，是決定晶格偏定晶格偏離離方向方向與與大小大小的的向量向量，可揭，可揭示位錯的本質(zhì)，是示位錯的本質(zhì)，是1939年柏格斯年柏格斯(J.M. Burgers）提出采用提出采用柏氏回路柏氏回路來定義來定義的。的。 1. 柏氏矢量的確定：柏氏矢量的確定：伯氏回路伯氏回路P1281）選定位錯線的）選定位錯線的正向：由里向外、由右向左、由下向上。正向：由里向外、由右向左

25、、由下向上。2）在）在實(shí)際晶體實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯以一定的步數(shù)作中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯以一定的步數(shù)作一右旋一右旋閉合回路，稱為柏氏回路閉合回路，稱為柏氏回路；選取時要避開嚴(yán)重的位錯選取時要避開嚴(yán)重的位錯畸變區(qū)畸變區(qū) ，用右手螺旋定則。，用右手螺旋定則。3) 在在完整晶體完整晶體中按同樣方法和步數(shù)作相應(yīng)的回路，該回路不閉合，中按同樣方法和步數(shù)作相應(yīng)的回路，該回路不閉合，由由終點(diǎn)終點(diǎn)向向起點(diǎn)起點(diǎn)引一矢量引一矢量b，使該回路閉合。矢量，使該回路閉合。矢量b就是該位錯就是該位錯的的柏氏矢量柏氏矢量。 柏氏回路柏氏回路MNOPQMNOPQNOPQMb垂直于位錯線垂直于位錯線bMNO

26、PQMNOPQbb平行于位錯線平行于位錯線混合位錯混合位錯 位位錯錯線線柏柏氏氏矢矢量量刃刃型型正正負(fù)負(fù)右手法則右手法則直角坐標(biāo)直角坐標(biāo) bb刃型位錯刃型位錯 bb正向正向平行平行反向反向平行平行螺型位錯螺型位錯bs = bcos b= bsin 正正負(fù)負(fù) 先人為地規(guī)定位錯線的方向，然后用右先人為地規(guī)定位錯線的方向，然后用右手食指表示位錯線的方向，中指表示柏氏矢量手食指表示位錯線的方向，中指表示柏氏矢量的方向，當(dāng)拇指向上（的方向，當(dāng)拇指向上（出紙面出紙面）是為正刃型位）是為正刃型位錯，向下時為負(fù)（錯，向下時為負(fù)（入紙面入紙面）刃型位錯。）刃型位錯。 規(guī)定柏氏矢量與位錯線正向平規(guī)定柏氏矢量與位錯

27、線正向平行的為行的為右旋右旋螺型位錯；反向平行的為螺型位錯；反向平行的為左旋左旋螺型旋螺型旋。2. 柏氏矢量的特性柏氏矢量的特性1) 物理量：物理量：是一個反映位錯周圍點(diǎn)陣是一個反映位錯周圍點(diǎn)陣畸變總積累畸變總積累的物理量。的物理量。 位錯是柏氏矢量不為零的晶體缺陷位錯是柏氏矢量不為零的晶體缺陷。柏氏矢量如果為零？柏氏矢量如果為零？矢量方向：矢量方向：表示位錯的性質(zhì)與取向，是位錯運(yùn)動導(dǎo)致表示位錯的性質(zhì)與取向，是位錯運(yùn)動導(dǎo)致晶體滑移的晶體滑移的方向。方向。矢量的模矢量的模 b ：表示該位錯畸變的程度（稱表示該位錯畸變的程度（稱位錯的強(qiáng)度位錯的強(qiáng)度），也），也 表示該位錯導(dǎo)致的晶體表示該位錯導(dǎo)致的

28、晶體滑移的大小滑移的大小。模的平方模的平方 b 2 ：位錯的位錯的畸變能畸變能與模的平方的大小成正比。與模的平方的大小成正比。2) 守恒性：守恒性：柏氏矢量與柏氏柏氏矢量與柏氏回路起點(diǎn)回路起點(diǎn)及具體及具體途徑無關(guān)途徑無關(guān)；3) 唯一性：唯一性：一根不分叉的一根不分叉的位錯線位錯線具有具有唯一的柏氏矢量唯一的柏氏矢量，與位錯的類型、，與位錯的類型、形狀、是否運(yùn)動無關(guān)。形狀、是否運(yùn)動無關(guān)。4）矢量計(jì)算：矢量計(jì)算：柏氏矢量可柏氏矢量可分解、求和分解、求和，滿足矢量運(yùn)算，滿足矢量運(yùn)算5) 位錯的連續(xù)性：位錯的連續(xù)性：位錯不能中斷于晶體內(nèi)部，但可以形成一個位錯不能中斷于晶體內(nèi)部，但可以形成一個封閉的封閉

29、的 位錯環(huán)位錯環(huán)，或終于，或終于晶界晶界/相界相界、位錯、位錯結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)、表面表面。3. 柏氏矢量的表示法柏氏矢量的表示法 柏氏矢量的表示與柏氏矢量的表示與晶向指數(shù)晶向指數(shù)uvw相似相似，但需要在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上，但需要在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上 把把矢量的模矢量的模也表示出來，也表示出來，在在立方立方晶系中，柏氏矢量可表示為：晶系中，柏氏矢量可表示為： （n為正整數(shù)）為正整數(shù)） 位錯的強(qiáng)度：位錯的強(qiáng)度： 如果位錯如果位錯b是位錯是位錯 b1、b2之之矢量和矢量和， 且：且： 則：則： 同一晶體中，柏氏矢量越大，該位錯的點(diǎn)陣畸變越嚴(yán)重，其能量越高。同一晶體中，柏氏矢量越大，該位錯的點(diǎn)陣畸變越嚴(yán)重，其能量

30、越高。 能量較高的位錯趨于能量較高的位錯趨于分解為多個能量較低的位錯，分解為多個能量較低的位錯，使系統(tǒng)自由能降低。使系統(tǒng)自由能降低。 如果如果 b b1 + b2； 則則 b 2 b1 2 + b2 211 11abu v wnuvwnab 121 1 12 22121212aaabbbuvwu v wuu vv wwnnn2222abu v wn222wvunab4. 位錯濃度位錯濃度表示晶體中存在位錯的多少?？蓮娜缦聝蓚€角度定義：表示晶體中存在位錯的多少?？蓮娜缦聝蓚€角度定義：1）單位體積中所包含的位錯線總長度單位體積中所包含的位錯線總長度 =L(cm)/V(cm3).2）在晶體中，垂直位

31、錯線的單位面積上所穿過的位錯線數(shù)目，）在晶體中，垂直位錯線的單位面積上所穿過的位錯線數(shù)目， =n/S，量綱，量綱L-2（位錯線為直線，且相互間平行地從晶體一（位錯線為直線，且相互間平行地從晶體一面穿面穿 過另一面）。過另一面）。 一般退火金屬一般退火金屬 =105108 cm-2 經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體 =10111012cm-2位錯位錯能量能量相互作用相互作用運(yùn)動特性運(yùn)動特性點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變彈性應(yīng)力場彈性應(yīng)力場非彈性應(yīng)力場非彈性應(yīng)力場彈性畸變彈性畸變非彈性畸變非彈性畸變中心區(qū)域中心區(qū)域(0.5-1nm)中心以外區(qū)域中心以外區(qū)域(1000nm)形式與分布形式與分布彈性體連

32、續(xù)介質(zhì)模型彈性體連續(xù)介質(zhì)模型抽象抽象構(gòu)造構(gòu)造定量計(jì)算應(yīng)力場是非常困難的，常采用定量計(jì)算應(yīng)力場是非常困難的，常采用彈性連續(xù)介質(zhì)模型彈性連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)：假設(shè)：1 1、晶體是完全彈性體，服從胡克定律；晶體是完全彈性體，服從胡克定律； 2 2、晶體是各向同性的；晶體是各向同性的； 3 3、晶體是由連續(xù)介質(zhì)組成的，無空隙存在；晶體是由連續(xù)介質(zhì)組成的，無空隙存在；局限性：局限性：只適用于只適用于位錯中心位錯中心（嚴(yán)重點(diǎn)陣畸變區(qū)）（嚴(yán)重點(diǎn)陣畸變區(qū)）以外以外的區(qū)域的區(qū)域 固體材料受力，材料中的固體材料受力，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系。滿足胡克之間成線性關(guān)系。滿足胡

33、克定律的材料稱為線彈性或胡定律的材料稱為線彈性或胡克型（英文克型（英文Hookean）材料。）材料。從物理的角度，胡克定律源從物理的角度，胡克定律源于多數(shù)固體（或孤立分子）于多數(shù)固體（或孤立分子）內(nèi)部的原子在無外載作用下內(nèi)部的原子在無外載作用下處于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。處于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。拉應(yīng)力拉應(yīng)力刃型位錯周圍的應(yīng)力區(qū)域刃型位錯周圍的應(yīng)力區(qū)域壓應(yīng)力壓應(yīng)力6 6個應(yīng)力分量：個應(yīng)力分量：3 3個正應(yīng)力、個正應(yīng)力、3 3個切應(yīng)力個切應(yīng)力6 6個應(yīng)變分量：個應(yīng)變分量：3 3個正應(yīng)變、個正應(yīng)變、3 3個切應(yīng)變個切應(yīng)變第一個下標(biāo)代表作用面的外法線方向，第二個代表應(yīng)力的方向第一個下標(biāo)代表作用面的外法線方向，第二

34、個代表應(yīng)力的方向在平衡條件下，xy=yx、yz =zy、zx =xz （r =r、z =z、zr =rz），實(shí)際只有六個應(yīng)力分量六個應(yīng)力分量就可充分表達(dá)一個點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。OO 為位錯線，為位錯線，MNOO 為滑移面為滑移面 由于圓柱體只有由于圓柱體只有Z Z方向的方向的位移，故只有一個切應(yīng)力和位移，故只有一個切應(yīng)力和切應(yīng)變，其余應(yīng)力分量都為切應(yīng)變，其余應(yīng)力分量都為0 0。 離開中心離開中心 r r 處切應(yīng)力，處切應(yīng)力，在在圓柱坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系中表達(dá)式：中表達(dá)式：2zzG brttrr = =zz =tr =tr =trz = 0模型：模型：設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體，將其沿設(shè)想有一各向同性的

35、空心圓柱體，將其沿xzxz面切開，使兩面切開，使兩個切開面沿個切開面沿z z方向做相對位移，相當(dāng)于形成一個柏氏矢量為方向做相對位移，相當(dāng)于形成一個柏氏矢量為b b的螺的螺型位錯型位錯 。 OO 在在直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系中表達(dá)式：中表達(dá)式：)(2)(222z22zyxxGbyxyGbyxtt0 xyt0zzyyxx（1）只有切應(yīng)力分量，）只有切應(yīng)力分量，正應(yīng)力分量為零正應(yīng)力分量為零，表明螺位錯不，表明螺位錯不引起晶體的膨脹和收縮；引起晶體的膨脹和收縮；（2）螺型位錯的應(yīng)力場是）螺型位錯的應(yīng)力場是軸對稱軸對稱的，即螺型位錯的切應(yīng)的，即螺型位錯的切應(yīng)力分量只與力分量只與 r 有關(guān)，而與有關(guān)，而與、z

36、 無關(guān)。即在與位錯等距離無關(guān)。即在與位錯等距離的各處，應(yīng)力值相等，且隨的各處，應(yīng)力值相等，且隨r增大，應(yīng)力減小。增大，應(yīng)力減小。 但是但是位錯中心的嚴(yán)重畸變區(qū)不適合位錯中心的嚴(yán)重畸變區(qū)不適合。r0, 2zzGbrtt模型：模型：設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體，將其沿設(shè)想有一各向同性的空心圓柱體，將其沿xzxz面切開，使面切開，使兩個切開面沿徑向（兩個切開面沿徑向（x x軸方向）做相對位移，相當(dāng)形成一個柏軸方向）做相對位移，相當(dāng)形成一個柏氏矢量為氏矢量為b b的刃型位錯的刃型位錯 22222)()3()1 (2yxyxyGbxx22222)()()1 (2yxyxyGbyyzz = （xx +yy

37、） 22222)()()1 (2yxyxxGbyxxyttxz =zx =yz =zy = 0 離開中心離開中心 r r 處切應(yīng)力，處切應(yīng)力，在在直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系中表達(dá)式：中表達(dá)式：R1 1）同時存在）同時存在切應(yīng)力切應(yīng)力與與正應(yīng)力正應(yīng)力分量，各應(yīng)力分量都是分量，各應(yīng)力分量都是x x、y y的函數(shù)，而與的函數(shù)，而與z z無關(guān)；無關(guān)；2 2）在平行于）在平行于位錯線位錯線的直線上，任一點(diǎn)的的直線上，任一點(diǎn)的應(yīng)力均相同應(yīng)力均相同；刃；刃型位錯的應(yīng)力場型位錯的應(yīng)力場對稱于多余半原子面對稱于多余半原子面；3）y = 0時，時，xx =yy =zz = 0，說明在說明在滑移面滑移面上，上，沒有正應(yīng)沒

38、有正應(yīng)力力，只有切應(yīng)力；，只有切應(yīng)力；4）y 0時，時，xx 0；y 0時，時，xx 0，說明正刃型位，說明正刃型位錯的位錯錯的位錯滑移面上側(cè)為壓應(yīng)滑移面上側(cè)為壓應(yīng)力力，下側(cè)為拉應(yīng)力下側(cè)為拉應(yīng)力。 位錯周圍點(diǎn)陣畸變引起的彈性應(yīng)力場，位錯周圍點(diǎn)陣畸變引起的彈性應(yīng)力場，導(dǎo)致導(dǎo)致晶體能量的晶體能量的增加增加，稱為位錯的應(yīng)變能或位錯的能量。稱為位錯的應(yīng)變能或位錯的能量。位錯的能量位錯的能量位錯中心畸變能位錯中心畸變能Ec(大約為總應(yīng)變能大約為總應(yīng)變能的的1/10-1/15)，忽略，忽略位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能Ee( (主要主要 ) )，求積分求積分刃型位錯刃型位錯02ln)

39、1 (4rRGbEee單位長度單位長度的應(yīng)變能的應(yīng)變能 螺型位錯螺型位錯02ln4rRGbEse簡化的單位長度位錯的簡化的單位長度位錯的總應(yīng)變能總應(yīng)變能：E = Gb2 與幾何因素有關(guān)，約為與幾何因素有關(guān)，約為0.5 - 1 混合位錯混合位錯02ln4rRKGbEmeG G 切變模量切變模量- -材料材料常數(shù)常數(shù), ,是剪切應(yīng)力與應(yīng)是剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值。又稱切變變的比值。又稱切變模量或剛性模量。模量或剛性模量。K K 角度因素角度因素a 幾何系數(shù)幾何系數(shù)b b 柏氏矢量柏氏矢量 泊松比泊松比 1) 位錯的能量包括兩部分：位錯的能量包括兩部分：Ec和和Ee；2) 位錯的位錯的應(yīng)變能應(yīng)變能與與b

40、2成正比成正比，大位錯可能分解為小位錯，以降，大位錯可能分解為小位錯，以降低系統(tǒng)能量；也可理解為滑移總是沿著原子的密排方向；低系統(tǒng)能量；也可理解為滑移總是沿著原子的密排方向；？3) Ees / Eee = 1- （常用金屬的泊松比（常用金屬的泊松比 約為約為1/3），故，故螺位錯螺位錯的彈性應(yīng)變能約為的彈性應(yīng)變能約為刃位錯刃位錯的的2/3；4) 位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，故位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，故能量與位錯的能量與位錯的形狀有關(guān)形狀有關(guān)，所以從系統(tǒng)能量的角度，位錯線有，所以從系統(tǒng)能量的角度，位錯線有盡量變直盡量變直和和縮短縮短其長度其長度的趨勢；的趨勢；？5) 位錯

41、的存在使晶體處于位錯的存在使晶體處于高能高能的的不穩(wěn)定狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)。 E=Gb2t t位錯彎曲，曲率半徑位錯彎曲，曲率半徑r 位錯應(yīng)變能與位錯長度成正比，為降低能量，位錯線有力求縮位錯應(yīng)變能與位錯長度成正比，為降低能量，位錯線有力求縮短的趨勢，故在位錯線上存在一種使其變直的線張力短的趨勢，故在位錯線上存在一種使其變直的線張力T。 線張力線張力T：在數(shù)值上等于增加單位長度位錯所需的能量在數(shù)值上等于增加單位長度位錯所需的能量 故：故： T = kGb2Gb2/2， k 約為約為0.5-1 若位錯長度為若位錯長度為ds，單位長度位錯線所受的力為，單位長度位錯線所受的力為f， 則：則： fds =

42、2Tsin(d/2)，由于由于ds = rd，當(dāng)，當(dāng)d很小時，很小時， sin (d/2) (d/2) 因此：因此：f = T/r Gb2/2r 兩端固定的位錯在切應(yīng)力兩端固定的位錯在切應(yīng)力 t t 作用下作用下 與位錯線彎曲度與位錯線彎曲度 r 的關(guān)系。的關(guān)系。t t-作用在位錯線的力作用在位錯線的力 f=t tb (p134), 則則t t= Gb/2r虛功原理推出t tt tF Fd dF Fd dt tt t4.4 位錯的受力與作用力位錯的受力與作用力 在外切應(yīng)力在外切應(yīng)力 t t 的作用下，位錯的移動可以理解為有一個垂直于的作用下，位錯的移動可以理解為有一個垂直于位錯線的力位錯線的力

43、 Fd 作用于位錯線上。作用于位錯線上。Fd = t t b Fd 的方向總是的方向總是與位錯線相垂直與位錯線相垂直，并指向滑移面的未滑移部分，并指向滑移面的未滑移部分 作用在位錯上的力只是一種作用在位錯上的力只是一種組態(tài)力組態(tài)力，它不代表位錯附近原子實(shí)，它不代表位錯附近原子實(shí)際所受力，也區(qū)別于作用在晶體上的力，其方向與外切應(yīng)力方際所受力，也區(qū)別于作用在晶體上的力，其方向與外切應(yīng)力方向不一定一致。向不一定一致。 一根位錯具有唯一的柏氏矢量，只要作用在晶體上的一根位錯具有唯一的柏氏矢量，只要作用在晶體上的切應(yīng)力切應(yīng)力是是均勻均勻的，則的，則各段位錯各段位錯所受的所受的力大小相同力大小相同 這種受

44、力也稱為這種受力也稱為滑移力滑移力 (slip force)。 Fy 若在外正應(yīng)力若在外正應(yīng)力 的作用下，對刃型位錯來說，會的作用下，對刃型位錯來說，會在垂直于滑在垂直于滑移面的方向運(yùn)動移面的方向運(yùn)動，即發(fā)生，即發(fā)生攀移攀移，也稱為攀移力，也稱為攀移力(climb force) Fy。 Fy = - b Fy 的方向的方向與位錯線攀移方向一致與位錯線攀移方向一致 為拉應(yīng)力時，為拉應(yīng)力時，F(xiàn)y向下向下2. 位錯的生成與增殖位錯的生成與增殖 Formation and generation1) 位錯的密度位錯的密度 Density of dislocations充分退火的多晶體金屬中，充分退火的多

45、晶體金屬中，= 106 108 cm-2劇烈冷變形的金屬中：劇烈冷變形的金屬中：= 1010 1012 cm-2超純金屬單晶體：超純金屬單晶體： 103 cm-2 金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 2) 位錯的生成位錯的生成 Formation of dislocations 晶體生長過程中產(chǎn)生位錯晶體生長過程中產(chǎn)生位錯雜質(zhì)原子在凝固時固溶成分不均勻，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變，雜質(zhì)原子在凝固時固溶成分不均勻，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變，可形成位可形成位錯錯作為過渡作為過渡；溫度、濃度、振動等因素導(dǎo)致溫度、濃度、振動等因素導(dǎo)致晶塊間的位相差晶塊間的

46、位相差導(dǎo)致位錯產(chǎn)生導(dǎo)致位錯產(chǎn)生；晶粒間的熱應(yīng)力等作用導(dǎo)致晶體表面產(chǎn)生臺階而形成位錯；晶粒間的熱應(yīng)力等作用導(dǎo)致晶體表面產(chǎn)生臺階而形成位錯； 快速凝固及冷卻過程中的快速凝固及冷卻過程中的過飽和空位的聚集；過飽和空位的聚集； 局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部滑移。局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部滑移。位錯源：位錯源：3) 位錯的增殖位錯的增殖 Generation of dislocations 弗蘭克弗蘭克-瑞德源瑞德源 Frank-Read source 晶體在變形過程中存在位錯的大量增殖晶體在變形過程中存在位錯的大量增殖已存在的位錯受力開始運(yùn)動，最終移到晶體表面產(chǎn)生宏觀已存在的位錯受力開始運(yùn)動，最終移到晶體表面產(chǎn)

47、生宏觀塑性變形。塑性變形。 弗蘭克弗蘭克-瑞德源瑞德源 Frank-Read source 臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力 t tc= Gb/LLr半圓形半圓形r最小，最小，t t最大最大t tmax = Gb/2r在在Si、Al-Cu、Al-Mg合金、鎘、不銹鋼、合金、鎘、不銹鋼、NaCl等等晶體中存在晶體中存在FR機(jī)制。機(jī)制。討論討論 p135位錯產(chǎn)生固定點(diǎn)的主要位錯產(chǎn)生固定點(diǎn)的主要機(jī)制：第二相質(zhì)點(diǎn)、相機(jī)制：第二相質(zhì)點(diǎn)、相界、位錯交割點(diǎn)（純金界、位錯交割點(diǎn)（純金屬位錯固定點(diǎn)的主要機(jī)屬位錯固定點(diǎn)的主要機(jī)制）等。制）等。 雙交滑移增殖模型雙交滑移增殖模型割階的存在對原位錯產(chǎn)生釘扎作割階的存在對原位錯產(chǎn)生

48、釘扎作用，使得原位錯在滑移面上成為用，使得原位錯在滑移面上成為一個一個Frank-Read source-n在滑移面上運(yùn)動的某一位錯，必與穿過此滑移面上的其它位錯（稱為“位錯林”）相交截，該過程即為“位錯交割位錯交割”。n位錯相互切割后，將使位錯產(chǎn)生彎折，生成位錯折線，這種折線有兩種：n1）割階：位錯折線垂直（或不在）其所屬滑移面上。 n2）扭折：位錯折線在其所屬滑移面上。1 1）兩平行螺位錯的交互作用）兩平行螺位錯的交互作用12122rGb bfbrt由于應(yīng)力場中只有切應(yīng)力分量，所以只受到徑向作用力由于應(yīng)力場中只有切應(yīng)力分量，所以只受到徑向作用力f fr r排斥排斥吸引吸引2 2）兩平行刃位

49、錯的交互作用）兩平行刃位錯的交互作用 22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxxt22222212)()3 ()1 (2yxyxybGbbfxxy沿沿x x方向的切應(yīng)力分量（方向的切應(yīng)力分量（滑移滑移）：）：沿沿y y方向的正應(yīng)力分量（方向的正應(yīng)力分量（攀移攀移）：）：在位錯在位錯e1的應(yīng)力場中存在切應(yīng)的應(yīng)力場中存在切應(yīng)力和正應(yīng)力，分別導(dǎo)致位錯力和正應(yīng)力，分別導(dǎo)致位錯e2沿沿x方向滑移和沿方向滑移和沿y方向攀移。方向攀移。 a. 當(dāng)當(dāng) 時，若時，若x0,則則fx0；若；若x0，則，則fx0,則則fx0；若；若x0。表明位錯。表明位錯e2位于位于3、4區(qū)間內(nèi)，兩位錯區(qū)間內(nèi)，兩位

50、錯相互吸引相互吸引xyc. 當(dāng)當(dāng) 時，時，fx=0，兩位錯處于介穩(wěn)定平兩位錯處于介穩(wěn)定平衡位置，一旦偏離此位置，衡位置，一旦偏離此位置，e2就會受到排斥就會受到排斥或吸引，使得偏離的更遠(yuǎn)或吸引，使得偏離的更遠(yuǎn)xye. 當(dāng)當(dāng) y=0時，若時，若x0,fx0，若若x0fx0。fx的絕對值與的絕對值與x成反比，即處于同成反比，即處于同一滑移面上的同號刃型位錯一滑移面上的同號刃型位錯總是相互排斥的，間距越小，排斥力越大。總是相互排斥的，間距越小，排斥力越大。d. 當(dāng)當(dāng) x=0時，位錯時，位錯e2處于處于y軸上，軸上，fx=0，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，一旦偏離此位置處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，一旦偏離此位置就會受到就會

51、受到e1的吸引而退回原處，使位錯垂直排列起來。通常把的吸引而退回原處，使位錯垂直排列起來。通常把這種垂直排列這種垂直排列的位錯組態(tài)稱為的位錯組態(tài)稱為位錯墻位錯墻，可構(gòu)成，可構(gòu)成小角度晶界小角度晶界同號位錯同號位錯對于同號位錯對于同號位錯對于同號位錯：對于同號位錯：fy與與y同號，當(dāng)同號，當(dāng)e2在在e1之上時，之上時，fy為正，即指向上；為正，即指向上；當(dāng)當(dāng)e2在在e1之下時，之下時，fy為負(fù)，即指向下。為負(fù)，即指向下。因此兩位錯沿因此兩位錯沿y軸方向是排斥的軸方向是排斥的22222212)()3()1 (2yxyxybGbbfxxy攀移力攀移力如果是相互平行兩刃位錯和螺位錯呢？如果是相互平行兩

52、刃位錯和螺位錯呢？由于由于b b相互垂直相互垂直，使得各自的應(yīng)力場均沒有使對，使得各自的應(yīng)力場均沒有使對方受力的應(yīng)力分量，故方受力的應(yīng)力分量，故不發(fā)生作用不發(fā)生作用同號位錯同號位錯異號位錯異號位錯與同號位錯與同號位錯受力狀態(tài)相反受力狀態(tài)相反對于異號位錯：對于異號位錯： 溶質(zhì)原子趨于分布在位錯（刃位錯）周圍造成位錯的應(yīng)變能下降，增加位錯溶質(zhì)原子趨于分布在位錯（刃位錯）周圍造成位錯的應(yīng)變能下降，增加位錯的穩(wěn)定性，位錯不易移動，提高晶體塑性變形抗力的穩(wěn)定性，位錯不易移動，提高晶體塑性變形抗力 溶質(zhì)原子與位錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的現(xiàn)象稱為氣團(tuán)，形成柯氏氣溶質(zhì)原子與位錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的

53、現(xiàn)象稱為氣團(tuán)，形成柯氏氣團(tuán)團(tuán)( (Cotrell atomosphereCotrell atomosphere) ) 半徑較小溶質(zhì)原子位于位錯受壓部分較穩(wěn)定，半徑較大溶質(zhì)原子位于位錯受半徑較小溶質(zhì)原子位于位錯受壓部分較穩(wěn)定，半徑較大溶質(zhì)原子位于位錯受拉部分較穩(wěn)定拉部分較穩(wěn)定位錯運(yùn)動是位錯的重要性質(zhì)之一，它與晶體的力學(xué)性能，如強(qiáng)位錯運(yùn)動是位錯的重要性質(zhì)之一，它與晶體的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、塑性、斷裂等密切相關(guān)。度、塑性、斷裂等密切相關(guān)。晶體的晶體的宏觀塑性變形宏觀塑性變形是通過位錯運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。是通過位錯運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。滑移滑移 （slip）攀移（攀移（climb）位錯的運(yùn)動方式位錯的運(yùn)動方式4.5.

54、1 位錯運(yùn)動的晶格阻力位錯運(yùn)動的晶格阻力2222expexp111pGwGavbvv bt2222expexp111pGwGavbvv bt位錯運(yùn)動的其它阻力位錯運(yùn)動的其它阻力1. 其它位錯應(yīng)力場的長程內(nèi)應(yīng)力作用；位錯運(yùn)動時發(fā)生交其它位錯應(yīng)力場的長程內(nèi)應(yīng)力作用；位錯運(yùn)動時發(fā)生交截，形成割階、空位、間隙原子、位錯反應(yīng)等截，形成割階、空位、間隙原子、位錯反應(yīng)等2. 其它外來原子阻力，如位錯線周圍的溶質(zhì)原子聚集的短其它外來原子阻力，如位錯線周圍的溶質(zhì)原子聚集的短程阻力，第二相粒子對位錯運(yùn)動的長程阻力。程阻力，第二相粒子對位錯運(yùn)動的長程阻力。3. 高速運(yùn)動位錯（超過該介質(zhì)中聲速的高速運(yùn)動位錯（超過該介

55、質(zhì)中聲速的1/10）還受到其它阻）還受到其它阻尼尼a. 熱彈性阻尼：高速運(yùn)動可看成絕熱過程，快速壓縮導(dǎo)致溫升，快速膨脹導(dǎo)致溫度降低，溫差使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鹱枘?。b. 輻射阻尼：運(yùn)動時在勢能峰谷間起伏，遇到峰減速，遇到谷加速，周期性的加速、減速散射彈性波，損失能量，帶來阻尼。c. 聲波散射阻尼：運(yùn)動位錯與聲波作用，一是位錯中心非線性應(yīng)變區(qū)直接散射聲子，二是聲波在位錯線上使位錯振蕩向外輻射彈性波。1. 位錯的滑移位錯的滑移slipping位錯的滑移（位錯的滑移（守恒運(yùn)動守恒運(yùn)動）：）：在外加切應(yīng)力作用下，在外加切應(yīng)力作用下，位錯中心附近的原子沿柏氏矢量位錯中心附近的原子沿柏氏矢量b b方向在

56、滑移面上方向在滑移面上不斷作不斷作少量位移少量位移（小于一個原子間距）而逐步實(shí)（小于一個原子間距）而逐步實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)。4.5.2 位錯的切割位錯的切割刃位錯的運(yùn)動刃位錯的運(yùn)動螺位錯的運(yùn)動螺位錯的運(yùn)動混合位錯混合位錯的運(yùn)動的運(yùn)動A 刃型位錯滑移刃型位錯滑移多多 腳腳 蟲蟲 的的 爬爬 行行Take much less energy !B 螺型位錯滑移螺型位錯滑移原始位置原始位置位錯向左移動位錯向左移動一個原子間距一個原子間距abfedc位錯線位錯線交滑移：交滑移：由于螺型位錯可有由于螺型位錯可有多個滑移面，螺型位錯在原多個滑移面，螺型位錯在原滑移面上運(yùn)動受阻時，可轉(zhuǎn)滑移面上運(yùn)動受阻時，可轉(zhuǎn)移到與之相

57、交的另一個滑移移到與之相交的另一個滑移面上繼續(xù)滑移。面上繼續(xù)滑移。如果交滑移后的位錯再轉(zhuǎn)回到如果交滑移后的位錯再轉(zhuǎn)回到和原滑移面平行的滑移面上繼和原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動，則稱為續(xù)運(yùn)動，則稱為雙交滑移雙交滑移。C 混合位錯滑移混合位錯滑移分解為刃型和螺型位錯進(jìn)行解析分解為刃型和螺型位錯進(jìn)行解析位錯滑移的特點(diǎn)位錯滑移的特點(diǎn)1) 1) 刃型位錯滑移的刃型位錯滑移的切應(yīng)力切應(yīng)力方向與方向與位錯線位錯線垂直，而螺型位錯滑垂直，而螺型位錯滑移的移的切應(yīng)力方向切應(yīng)力方向與與位錯線位錯線平行；平行； 2) 2) 無論刃型位錯還是螺型位錯，無論刃型位錯還是螺型位錯，位錯的運(yùn)動方向位錯的運(yùn)動方向總是與總是

58、與位錯位錯線線垂直的；垂直的；（伯氏矢量方向代表晶體的滑移方向）（伯氏矢量方向代表晶體的滑移方向） 3) 3) 刃型位錯引起的晶體的刃型位錯引起的晶體的滑移方向滑移方向與與位錯運(yùn)動方向位錯運(yùn)動方向一致，而一致，而螺型位錯引起的晶體的螺型位錯引起的晶體的滑移方向滑移方向與與位錯運(yùn)動方向位錯運(yùn)動方向垂直；垂直； 4) 4) 位錯滑移的位錯滑移的切應(yīng)力切應(yīng)力方向與方向與柏氏矢量柏氏矢量一致；位錯滑移后，滑一致；位錯滑移后，滑移面兩側(cè)晶體的移面兩側(cè)晶體的相對位移相對位移與與柏氏矢量柏氏矢量一致。一致。5) 5) 對螺型位錯，如果在原滑移面上運(yùn)動受阻時，有可能轉(zhuǎn)對螺型位錯，如果在原滑移面上運(yùn)動受阻時，有

59、可能轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移，這移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移，這稱為稱為交滑移交滑移 ( (雙雙交滑移）交滑移）位錯滑移的特點(diǎn)表位錯滑移的特點(diǎn)表2. 位錯的攀移位錯的攀移 Climbing刃型位錯刃型位錯正攀移正攀移負(fù)攀移負(fù)攀移位錯的攀移（位錯的攀移（非守恒運(yùn)動非守恒運(yùn)動）：）：刃型位錯在垂直于滑移面方刃型位錯在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動，主要是通過向上的運(yùn)動，主要是通過原子或空位的擴(kuò)散原子或空位的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的（來實(shí)現(xiàn)的（滑滑移過程基本不涉及原子的擴(kuò)散移過程基本不涉及原子的擴(kuò)散）。）。正攀移：正攀移：多余原子面向上運(yùn)動；反之稱為多余原子面向上運(yùn)動；反之稱為負(fù)攀移負(fù)攀移。螺型位錯

60、不發(fā)生攀移運(yùn)動。螺型位錯不發(fā)生攀移運(yùn)動。（a）正攀移（半原子正攀移（半原子面縮短）面縮短）(b)未攀移未攀移（c）負(fù)攀移（半負(fù)攀移（半原子面伸長）原子面伸長） 由于攀移伴隨著位錯線附近原子的增加或減少，即有物質(zhì)遷移，由于攀移伴隨著位錯線附近原子的增加或減少，即有物質(zhì)遷移，因此需要擴(kuò)散才能進(jìn)行。位錯攀移需要熱激活，比滑移所需的能量要因此需要擴(kuò)散才能進(jìn)行。位錯攀移需要熱激活，比滑移所需的能量要大。大。 對大多數(shù)材料，在室溫下很難進(jìn)行攀移，高溫下容易。對大多數(shù)材料，在室溫下很難進(jìn)行攀移，高溫下容易。 另外晶體中另外晶體中過飽和點(diǎn)缺陷過飽和點(diǎn)缺陷的存在利于攀移的進(jìn)行。的存在利于攀移的進(jìn)行。3. 運(yùn)動位錯的交