晶體缺陷7 實際晶體中的位錯

1、7.1 位錯反應(yīng)由1個位錯分解成幾個新位錯或由幾個位錯合成1個新位錯的過程兩個異號刃型位錯可能自毀位錯反應(yīng)的兩個判據(jù) 幾何條件(b守恒性)：反應(yīng)后諸位錯的b之和等于反應(yīng)前諸位錯的b之和,即能量條件(能量降低)：反應(yīng)后各位錯的總能量應(yīng)小于反應(yīng)前各位錯的總能量例如，F(xiàn)CC的全位錯分解為Shockley分位錯：bb1+b2121611126110121反應(yīng)式：miinjj12111012130361bbbbb符合計算能量：反應(yīng)前： 21011212222212bbmii反應(yīng)后：31666622222112bbbnjjmiinjjbb1212符合能量條件：所以此位錯反應(yīng)可以自發(fā)進行。幾何條件:計算1.

2、分量和2.分量平方和 幾何條件： ，滿足幾何條件 能量條件： 滿足能量條件，反應(yīng)可以進行。請判定下列位錯反應(yīng)能否進行 幾何條件： ，滿足幾何條件 能量條件： 滿足能量條件，反應(yīng)可以進行。（1）（2）7.2 實際晶體中的位錯全位錯b 等于單位點陣矢量的稱為“單位位錯”。b 等于單位點陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯”b 不等于單位點陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位錯”或稱“部分位錯” 在簡單立方結(jié)構(gòu)中的位錯，其 b 總是等于點陣矢量。實際晶體中根據(jù)柏氏矢量的不同，可把位錯分為以下幾種形式典型晶體結(jié)構(gòu)中單位位錯的柏氏矢量例：f.c.c中，柏氏矢量為 的位錯能否分解成單位位錯？1212a結(jié)構(gòu)條件：011211

3、02 1212aaa滿足能量條件：232a滿足222 2aa1102a1212a1102a不全位錯柏氏矢量的長度不等于沿滑移方向原子間距的整數(shù)倍 。這種位錯掃過晶體，滑移面上下原子不再占有原先位置，產(chǎn)生層錯。211_a 1102_a 112_ 1102_a2116_a 1126_a 11262116 1102_aaa2226 6 2aaa 滿足滿足計算銅中全位錯的柏氏矢量的長度面心立方晶體中的位錯HCP：111面按ABAB順序排列形成FCC：111面按ABCABC順序排列形成1. 滑移 使任一層(111)晶面滑移1/6，移至其相鄰晶面相應(yīng)的位置上，該層以上的原子面也滑移同樣大小的矢量層錯：實際

4、晶體中晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯而產(chǎn)生的缺陷。111112110 112110110111ABCBCABCA11216ABCABCABCBCA 抽出型層錯ABC112162. 抽去一層抽去A2層后，其上各層晶面垂直下落一個(111）面的面間距，相當(dāng)于發(fā)生1/3111的滑移，結(jié)果在C1和B2層之間形成層錯或同時加進兩層(111)面也會形成同樣層錯。3222alkhadhkl3. 插入一層，或相間抽出兩側(cè)形成層錯幾乎不產(chǎn)生點陣畸變，但破壞晶體對稱性和周期性，使電子發(fā)生反常衍射效應(yīng)，使晶體能量升高。由層錯引起的能量增量叫層錯能。層錯能越高，層錯出現(xiàn)幾率越低。層錯能 分位錯若堆垛層錯發(fā)生在部分區(qū)域，則層

5、錯邊緣將存在位錯(不全位錯)ABCBAABCBAABAB插入型層錯抽出型層錯ABACABACACBAA在fcc晶體中插入或抽走一層（111）面，就會形成堆垛層錯。若插入或抽走的只是一部分，層錯與完整晶體邊界即所謂“Frank位錯”。其柏氏矢量為b=1/3該矢量小于FCC晶體中110方向上的原子間距, 所以是不全位錯插入型Frank分位錯（正）抽出型Frank分位錯（負(fù)）攀移1） b與層錯面和位錯線垂直，故純?nèi)行?）b不是FCC晶體滑移方向，故不能滑移，只能攀移Frank不全位錯特點沿(111)面，使A層以上原子相對于C層作滑移即ABCAB，若滑移中止在晶體內(nèi)部，則已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界為Sh

6、ockley分位錯。 112110110111ABCBCABCA11216 112110ABCB110111CA刃型面心立方晶體中的單位位錯結(jié)構(gòu)滑移。Shockley不全位錯特點2）刃型 螺型 混合型1）螺型混合型3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛層錯的111面上滑移，引起層錯面的擴散或收縮，但不能離開層錯面。 4）不能交滑移，因為位錯線沿方向，不是沿兩個111 面（主滑移面和交滑移面）的交線方向。利用四面體和符號表示滑移面、滑移方向和bThompson四面體羅-羅向量四面體的六個棱，即由頂點A,B,C,D（羅馬字母）連成的向量12個全位錯的柏氏矢量110211012110121110210

7、112110121DCBDBCDCADACDBADABDCDBDA21161,12161,1126111261,121 61,211 61,1216111261,21161,11261,21161121610114111021322132CCCBBBAAADDCBDCD不對應(yīng)的羅-希向量由四面體頂點（羅馬字母）和通過該頂點的外表面中心（不對應(yīng)的希臘字母）連成的向量24個Shockley分位錯的柏氏矢量對應(yīng)的羅-希向量8個Frank分位錯的柏氏矢量11131 11131111 3111131211 6110121ADADDCDCCBCBBABA希-希向量6個壓桿位錯的柏氏矢量DCDBCBDACA

8、BAAA311106131011613101161311016131 1106131011 6121161 111 31在湯普森記號中的所有向量均很容易計算出來。例如在(111)面上柏氏矢量為a/2(-1 1 0)的全位錯分解，可簡便寫為：CBBC擴展位錯fcc晶體中的位錯線在切應(yīng)力作用下，沿著（111） 1，0，-1 滑移系在B層與C層之間滑移，原子由C移至C有兩種途徑。 一是由C直接移至C（即全位錯的移動），需提供較高能量。另是先從C經(jīng)一低低谷至A，再滑至C位置（相當(dāng)于肖克萊不全位錯的滑動），后者平坦，易進行，但兩者效果相同，這個過程可表示為110211121266aaaa/6-211和a

9、/6-1-12兩個不全位錯之間的夾角為60度，它們之間有一斥力，因相斥而分開，中間夾著一片層錯，兩不全位錯加它們中間的層錯，便是擴展位錯。兩個不全位錯之間的寬度d擴展位錯寬度擴展位錯：通常把一個全位錯分解為兩個不全位錯，中間夾著一個堆垛層錯的整個位錯組態(tài)稱為擴展位錯Ni基(6.7%)超合金中的擴展位錯位錯從位于A、B、C處的源出發(fā)，沿110方向擴展層錯給予兩個不全位錯一個吸力不全位錯又存在一個斥力kdbGbF821平衡后，決定了擴展位錯寬度G為材料切變模量；為層錯能；k是一個決定于分解反應(yīng)前全位錯類型的常數(shù)，F(xiàn)= 時，獲得平衡的擴展位錯寬度d:kbGbd821)cos221 (121k為了降低

10、兩個不全位錯間的層錯能，力求把兩個不全位錯的間距縮小，這相當(dāng)于給予兩個不全位錯一個吸力，數(shù)值等于層錯的表面張力 （即層錯能） 層錯能與擴展位錯寬度的關(guān)系kbGbd821 試證明：試證明：fcc中兩個肖克利不全位錯之間的平衡距離中兩個肖克利不全位錯之間的平衡距離ds可近可近似地由下式給出：似地由下式給出： 224sGbd證明：證明：已知兩平行位錯之間的作用力為已知兩平行位錯之間的作用力為F= ；12Gb b2d 當(dāng)一個全位錯當(dāng)一個全位錯 1012aa6a6-1 當(dāng)一個全位錯分解成兩個不全位錯分解成兩個不全位錯 112+ 21 時，兩個不全位錯之間夾角為60，故它們之間的作用力為 F= 此系斥力。

11、此系斥力。由于兩個不全位錯之間為一堆垛層錯，層錯由于兩個不全位錯之間為一堆垛層錯，層錯如同表面張力，有促進層錯區(qū)收縮如同表面張力，有促進層錯區(qū)收縮的作用，從而使兩個不全位錯間產(chǎn)生引力。當(dāng)?shù)淖饔?，從而使兩個不全位錯間產(chǎn)生引力。當(dāng)F=時，兩個不全位錯到達平衡距時，兩個不全位錯到達平衡距離，令離，令d=ds，則，則 而而a為點陣常數(shù)，以為點陣常數(shù)，以ab易，故易，故 擴展位錯的束集在外應(yīng)力作用下，擴展位錯將發(fā)生滑移。如果擴展位錯的某些部分在滑移過程中受到阻礙，則擴展位錯在這里會收縮成為全位錯。形成束集所需之能量不全位錯間距縮小束集附近位錯形成弧線增加了應(yīng)變能因為位錯線增長而增加的能量不同金屬的擴展位

12、錯的平衡寬度不同，束集能也各異，夏克和西格測得鋁和銅的束集能是：Al: 刃=0.21eV 螺=0.11eVCu: 刃=3.9eV 螺=0.84eV擴展位錯的交滑移：首先束集成螺型位錯，交滑移，重新分解為擴展位錯112621161102_aaa在實際晶體中，由于擴展位錯的形成，螺位錯的交滑移更加困難，必須經(jīng)束集后才能進行，層錯能越低，擴展位錯的寬度越大，束集越困難，不易交滑移，因此晶體的變形抗力越大。擴展位錯比全位錯交滑移困難得多金屬層錯能愈低，擴展位錯寬度愈大，束集愈困難，交滑移愈難。反之層錯能愈高，易于交滑移。 由此可以解釋FCC金屬形變過程中的許多現(xiàn)象。 例如奧氏體不銹鋼，層錯能很低，交滑

13、移困難，使得即使在大變形量下，位錯也只局限在滑移面上。 鋁的層錯能很高，位錯易于通過交滑移，使大部分螺位錯滑移到相交的滑移面上，排列成小角晶界。(111)(111)ab1= 1012b2= 0112a在 和 面上有兩個全位錯b1和b2(111)(111)面角位錯b11b12b21b22(111)(111)兩個全位錯b1和b2發(fā)生分解，形成擴展位錯12111bbb22212bbb2116 121 60112aaa101112211266aaab11b3b22(111)(111)b3b12+b21在外力作用下,兩個擴展位錯向兩個滑移面的交線處滑移。兩個領(lǐng)先不全位錯b12和b21在交線110處相遇,

14、發(fā)生合成反應(yīng)： 反應(yīng)生成兩面一夾角組態(tài)的面角位錯（固定位錯）1016 121 61126aaa32112bbbFCC晶體中的主要位錯面心立方晶體中有 位錯，其方向為 ，分解成Shockly不全位錯，寫出該反應(yīng)的反應(yīng)式，并說明該反應(yīng)成立的理由。10121112答：由于此位錯線的柏氏矢量與位錯線方向垂直（ ），因此可以判定其為刃型位錯；其滑移面法向為：即111，因此這一位錯應(yīng)在(111)面上進行分解反應(yīng)，反應(yīng)式為：11210121kjikjikji222 1)2(1001)2() 1()1(111 112110121612116110121練習(xí)密排六方晶體中的位錯HCP：111面按ABABAB順序

15、排列形成，如Mg、Zn1.抽出一層原子后，上下兩部分晶體適當(dāng)平移1/3-1 1 0 0層錯2. 簡單滑移3.插入一層原子表示柏氏矢量的雙錐體b=滑移面：(0001)為主全位錯Shockley分位錯和擴展位錯由空位擇優(yōu)凝聚在基面上形成1/20001位錯環(huán)Frank分位錯由間隙原子擇優(yōu)凝聚在基面上形成1/20001位錯環(huán)體心立方晶體中的位錯1. 全位錯體心立方晶體的金屬，例如鐵、鉬、鉭、釩、鉻、鎢、鈮、鉀和鈉，滑移方向通常為，最短的點陣矢量1/2滑移面是不確定的，隨成分，溫度以及形變速率而變，通常有110, 112和123 。這些晶面中的任一個都包含滑移方向，因而bcc晶體共有48個滑移系。單位位

16、錯的柏氏矢量體心立方晶體的密排面110都是以ABABAB方式堆垛，不能產(chǎn)生堆垛層錯。但112滑移面為形成層錯提供了有利條件。2.堆垛層錯兩個體心立方晶胞和一組(112)面的位置。Bcc結(jié)構(gòu)的112堆垛序為ABCDEFAB若兩相鄰的112面沿方向相對位移a/6則112面的堆垛順序就發(fā)生差錯而引起堆垛層錯，常見的有以下三種:(一)滑移如果在D層112晶面以上的晶體相對于下面的晶體作a/6的滑移，就可產(chǎn)生如下的堆垛層錯如果每層112面都相對下層112面滑移a/6則就形成如下的孿晶，相當(dāng)于FEDCBAFABCDEF即以F為中心成對稱關(guān)系(二)抽出一層如果在晶體中抽去DE兩層112晶面(相當(dāng)于空位聚集)

17、如圖，則產(chǎn)生如下的堆垛層錯體心立方晶體的堆垛層錯（抽出層錯）ABCFAB如果在CD之間插入DE兩層(112)晶面(相當(dāng)于間隙原子聚集)，則產(chǎn)生如下的堆垛層錯。(三)插入一層ABCDDFEEC體心立方晶體的堆垛層錯（插入層錯）bcc晶體比較容易在不同的110或112、123進行交滑移(滑移線呈波紋形)，這表明擴展只是少量的或者堆垛層錯能密度相當(dāng)大。盡管如此，位錯1/2仍然有幾種分解的形態(tài)。室溫變形的含3%Si的鐵硅合金3. 位錯分解(一)全位錯在110面上的分解對純螺位錯，做如下分解也是可能的。3個個a/8110以a/4111為中心向3個相交110面對稱擴展(不能滑動)全位錯在110面上分解后得

18、到不全位錯，在不全位錯之間應(yīng)有層錯存在。事實上用電子顯微鏡在bcc金屬中沒有觀察到擴展位錯，而用一般顯微鏡觀察，能看到波紋狀的滑移線，這說明位錯容易交滑移。(二)全位錯在112面上的分解一般認(rèn)為112面上的a/2全位錯有可能發(fā)生如下分解螺型全位錯分解成兩個螺型不全位錯，均位于同一滑移面上。在外力作用下可整體滑移，稱為可滑移分解。1/611-1不全位錯有重要作用，它在滑移面(112)掃過時可產(chǎn)生孿晶結(jié)構(gòu)，4.孿晶位錯孿晶面為孿晶面為112面，孿生時平行該面的相鄰晶面都發(fā)生面，孿生時平行該面的相鄰晶面都發(fā)生a/6位移，圓球為紙面上的原子，小黑點也是原子中心，但不在紙位移，圓球為紙面上的原子，小黑點

19、也是原子中心，但不在紙面上。假如我們以面上。假如我們以C層為孿晶面，此面以上晶體保持不動，將層為孿晶面，此面以上晶體保持不動，將以下的晶體向以下的晶體向11-1推移，使推移，使B層原子正好在層原子正好在D層原子的正下方層原子的正下方(112)面堆垛的平面圖面堆垛的平面圖每層每層112面上都有一個面上都有一個1/6不全位錯，它們相繼發(fā)不全位錯，它們相繼發(fā)生滑動，于是就在各面之間產(chǎn)生了生滑動，于是就在各面之間產(chǎn)生了1/6均勻的切變。均勻的切變。體心立方晶體形成孿晶的示意圖要求幾百甚至幾千層面上都有1/6孿晶位錯，這幾乎是不可能的體心立方晶體形成孿晶的示意圖掃動位錯：極軸位錯：混合型，附近原子面為螺旋面不可滑移分解，無中心位錯特