晶體缺陷-位錯運動與應力場

1、1* 晶體缺陷-位錯運動與應力場第4章 晶體缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 點缺陷 （Point defect）4.1.1 點缺陷的類型4.1.2 點缺陷的濃度4.1.3 點缺陷對材料性能的影響4.2 線缺陷（Line defects）4.2.1 位錯的類型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位錯的運動4.2.4 位錯的應力場 4.2.5 位錯與晶體缺陷間的交互作用4.2.6 位錯的增殖與塞積4.2.7 實際晶體中的位錯4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶體表面4.3.2 晶界結構與能量4.3.3 單相多晶體中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析

2、與晶界遷移4.3.5 相界3刃、螺型位錯滑移的比較 晶體兩部分的相對移動量決定于柏氏矢量b的大小和方向，與位錯線的移動方向無關。 1. 刃、螺型位錯滑移的比較螺位錯：位錯線 b，可以有多個滑移面，無論在哪個方向移動都是滑移。螺位錯的滑移面不唯一。2. 滑移系 滑移面 （哪些面？） 和此面上的一個滑移方向 （哪些方向？）。補充密排面; 密排方向6不同結構中的滑移系：滑移面和此面上的一個滑移方向fcc晶格: 密排面為111 4個 密排方向為 3個滑移系：4X312bcc：密排面為110 6個， 密排方向 2個補充73. 螺位錯的交滑移 cross slip of screw dislocation

3、s （動畫1）交滑移：螺位錯在某一滑移面的滑移受阻時，位錯可 離開原滑移面到與其相交的其他滑移面繼續(xù)滑移。3. 螺位錯的交滑移 cross slip of screw dislocations 螺位錯的滑移面不唯一，是包含該位錯線的一組晶體學晶面。 （111）（4個）（動畫2）9位錯運動10位錯繞過粒子11Si單晶中的F-R源4. 位錯環(huán)的運動 Motion of dislocation loop （1）A,B為異號刃位錯，后部的半原子面在上方向后移動；前部的半原子面在下方，向前運動。（2）C,D為異號螺位錯，左邊向左，右邊向右運動；（3）其他為混合位錯，均向外運動。所有運動 上部晶體向后移動

4、了一個原子間距。所有位錯 移出晶體，整個晶體上部移動了一個原子間距。無論哪種位錯，最后的效果是一樣的?？偨Y：位錯的運動都將使掃過的區(qū)間兩邊的原子層發(fā)生b的相對滑動。 14問題的提出：（1）晶體的塑性變形是通過位錯的滑移進行的，那么，位錯還有其它的運動方式嗎？ （2）位錯的類型（如：刃位錯、螺位錯或混合位錯）對位錯的運動有影響嗎？ （3）位錯的形態(tài)（如：直線或弧線等）對位錯的運動有影響嗎？4.2.3 位錯的運動 Motion of dislocations 正攀移：原子面縮短，有原子多余， 大部分是空位運動到位錯線上，空位消失；5. 攀移-刃位錯 Climbing of edge disloca

5、tions刃位錯在垂直于滑移面方向上的運動。相當于半原子面的伸長或縮短。負攀移負攀移：原子面伸長，需要外來原子， 或在晶體中產生新的空位。(1)刃位錯攀移：一般發(fā)生在溫度較高時。（2）切應力對攀移無效； 正應力有助于攀移。(壓應力有助正攀移，拉應力有助負攀移)， 但應力對攀移的總體作用甚小。(3) 螺位錯無攀移(無多余半原子面)。(4)位錯滑移，晶體的體積不變（守恒運動）； 攀移后，晶體的體積會有變化（非守恒運動）。攀移的特點：第4章 晶體缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 點缺陷 （Point defect）4.1.1 點缺陷的類型4.1.2 點缺陷的濃度4.1.3

6、 點缺陷對材料性能的影響4.2 線缺陷（Line defects）4.2.1 位錯的類型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位錯的運動4.2.4 位錯的應力場 4.2.5 位錯與晶體缺陷間的交互作用4.2.6 位錯的增殖與塞4.2.7 實際晶體中的位錯4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶體表面4.3.2 晶界結構與能量4.3.3 單相多晶體中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析與晶界遷移4.3.5 相界位錯附近晶格畸變,應力場和應變能。4.2.4 位錯的應力場 stress field of dislocations 刃位錯： 位錯上部原子壓應力，下部原子張應力，位錯周圍產生

7、應力場。螺位錯：圓柱體區(qū)域應力場存在。 位錯與其他缺陷(點缺陷,其他位錯,晶界等)的交互作用是通過應力場實現(xiàn)的。位錯的應力場彈性應變能 線張力(位錯縮短的傾向)研究位錯應力場的分布和能量，是研究晶體力學性能的基礎。 位錯總能量與位錯長度成正比，位錯線盡可能短線張力。 位錯附近的2個區(qū)域：遠離位錯中心處：畸變較小，（ Ee ）一、位錯的應力場模型簡化為：各向同性連續(xù)彈性介質， 線彈性理論。位錯中心附近：畸變嚴重，直接考慮晶體結構和 原子之間的相互作用。（ E0 ）假定晶體是一個連續(xù)的各向同性的彈性體，忽略位錯中心點陣結構的影響。E0占1/101/15，22 螺位錯的應力場模型位錯的應力場模型 刃

8、位錯的應力場模型螺位錯的應力場：正應力分量: 無;切應力分量: 有.應變及應力與半徑成反比。1. 螺位錯的應力場D=Gb/2(1-)2. 刃位錯的應力場2526一對平行刃位錯和螺位錯的應力場：無相同的應力分量 位錯周圍原子偏離平衡位置，處于較高能量狀態(tài)；高出的能量稱為位錯的應變能，或簡稱位錯能。 E0：位錯中心，畸變嚴重， E0占1/101/15， 計算復雜，可忽略。Ee：位錯應變能主要是彈性應變能Ee 。E=E0+Ee二、位錯的應變能單位體積彈性能=（應力應變）/2單位長度的圓柱彈性能：螺位錯彈性應變能:R是晶體的外徑，r0是位錯核心的半徑。則： Ee=Gb2G-材料的剪切模量。-常數？螺位

9、錯：取0.5； 刃位錯： 取1.0； Ee=Gb2螺位錯彈性應變能：刃位錯的彈性應變能比螺位錯大。螺位錯?刃位錯?的彈性應變能哪個大？刃位錯： Ee=Gb2/(1-)Ee：單位長度位錯的彈性應變能，和b2成正比。b最小的地方/Ee最小，位錯越穩(wěn)定/最易形成位錯?；谱钜自诿芘欧较蛏习l(fā)生，此方向上b比較小。 （1）為減小應變能， 位錯b盡量小。（2）為減小彈性應變能，位錯趨向縮短，彎曲的位錯線有變直的趨向，好像沿位錯線兩端作用了一個線張力T。三、位錯的線張力（3）位錯環(huán)會收縮， 甚至消失。（4）線張力和位錯能在數量上是等價的。 T= bR =E=Gb2R是位錯線曲率半徑，曲線的張力是T使位錯彎曲

10、的：(彎曲位錯線，0.5)則 = Gb/2R. 32（4）線張力和位錯能在數量上是等價的。 T=E=Gb2R是位錯線曲率半徑，曲線的張力是T：使位錯彎曲的：2Tsin(d/2)=dF.dS= bRdT=bR根據T=E=Gb2 (彎曲位錯線，0.5)則 = Gb/2R. (1)刃型位錯的滑移（2）螺型位錯的滑移晶體兩部分的相對移動量決定于b的大小和方向，與位錯線的移動方向無關。 螺型位錯的交滑移刃位錯的攀移運動小結：第3節(jié) 位錯的運動一、位錯的應力場螺位錯應力場：沒有正應力分量， 只有切應力分量。刃位錯應力場：小結：第4節(jié) 位錯的應力場35一對平行刃位錯和螺位錯的應力場：無相同的應力分量 刃位錯螺位錯不同點位錯線和柏氏矢量的關系垂直。刃位錯線不一定是直線，可以是折/曲線平行。螺位錯線一定是直線。有無交滑移刃位錯的滑移面只有一個。無（位錯線和柏氏矢量垂直所以其構成的平面，不能改變）。螺位錯的滑移面不是唯一的。有（位錯線和柏氏矢量平行，