高等金屬學基礎(chǔ)位錯B概念和應用

1、高等金屬學基礎(chǔ)位錯B概念和應用2.6.4 位錯受應力場的作用力受力的定義：位錯dl受力掃過距離dd ,則作的功 是外應力場施加的.若外應力場為,則 那么 是位錯線和滑移距離所組成的平面上受的力，作用面滑動一個距離，則：dl位錯受外力場的作用力按框積公式在外應力場作用下， 長度位錯所受的力，位錯長度用 ,令位錯受到的作用力舉例：兩平行刃位錯相互作用設有位錯1和位錯2，現(xiàn)在分析位錯2在位于位錯1應力場中所受到的作用力。12x1x2對于位錯2，t1=t2=0, t3=1, b1=b, b2=b3=0.則代入位錯1的應力場其中第一項x1方向分力fx1，作用于位錯上的滑移力。第二項為x2方向上分力fx2

2、，作用于位錯上的攀移力分析fx1可知： 當x1=0或x1=x2時，fx1=0。即位于以上兩類位置的位錯2都不受x1方向的力，不會在x1x2平面上產(chǎn)生滑移運動，是相對穩(wěn)定的位置。1. 對于兩平行刃位錯同號的情況： 當x12x22即|x1|x2|時，若x10，則fx10,受+x1方向的力；若x10，則fx10,受-x1方向的力。即位錯2在水平方向有遠離位錯1的傾向。當x12x22即|x1|0，則f10,受-x1方向的力；若x10,受+x1方向的力。即位錯2在垂直方向有靠攏位錯1的傾向.可見x1=0， f1=0,是一種穩(wěn)定狀態(tài)。當x1=x2時，f1=0,是一種亞穩(wěn)定狀態(tài)，因為只要位錯2稍偏離這個位置

3、，fx1都會使其遠離x1=x2的位置。兩平行刃位錯在x軸方向的作用力2. 異號位錯的受力/4x2x1/4x2x1同號位錯異號位錯舉例：兩平行螺位錯相互作用在螺位錯A的應力場中，位錯B處于切應力分量z=GbA/2r的應力狀態(tài)下，此時，作用于B位錯線上的力fr=b.bB,于是AB(r,)yxr兩平行位錯間的作用力，其大小與兩位錯強度的乘積成正比，而與兩位錯間距成反比，其方向則沿徑向r垂直于所作用的位錯線。兩螺位錯同向(柏氏矢量同向)時，其作用力為排斥力，而異號(柏氏矢量反向)時，則為吸引力。兩根任意位錯的作用力兩根位錯線平行、柏氏矢量任意時，位錯1放在x3軸上，位錯2平行于位錯1，如圖通過位錯能判

4、斷位錯運動位錯在內(nèi)應力場的受力：若知內(nèi)應力場與位錯的交互作用能W，則位錯受力由應力場可知，位錯單獨存在能量，位錯1為W1，位錯2單獨存在為W2，二者聚在一起存在能量為W， W1+W2W 二者相互吸引 W1+W2 時，化學力為正，位錯上攀移，Nv 時，化學力為負，位錯下攀移2.7 位錯的映象力位錯運動到表面，晶體的能量減少，是一個自發(fā)過程。如圖，好像表面對位錯有一 個吸引力，討論時，是假定表面另一側(cè)有 一個強度一樣的反號位錯，相互吸引。若 是螺位錯：ddx1x2f第一位錯： 13、23第二位錯：考慮X1方向而對于作用在實在位錯上的力單位長度位錯線受的力除以1*d就是切應力若界面或表面有氧化層，其

5、切變模量G*，則 G*G 時對位錯是斥力 G*G 時對位錯是引力自由表面肯定會有一層高密度的位錯層2.7 位錯與點缺陷的作用力在晶體中存在有點缺陷，引起點陣畸變，產(chǎn)生應力場，與位錯的彈性應力場可以有交互作用。點缺陷產(chǎn)生的球形對稱畸變。假設晶體為彈性的連續(xù)介質(zhì)，內(nèi)有1柏氏矢量為b的刃位錯，位錯應力場使點缺陷引起的徑向位移而作功。因為產(chǎn)生的徑向位移是垂直球面的，是球?qū)ΨQ的畸變，故只有位錯應力場中的正應力做功，而切應力分量不做功。位錯應力場中正應力分量的平均值可用水靜壓力來表示螺位錯應力場沒有正應力分量，只考慮刃位錯情況。將刃位錯應力場正應力分量數(shù)值代入令(R-R0)=，稱為失配度，則R=R0(1+

6、)所以點缺陷半徑為R的溶質(zhì)，溶劑原子半徑為R0，引起的體積變化為若將溶質(zhì)原子自身的畸變也考慮進去，可修改為：溶質(zhì)原子克服位錯應力場所做功為若化為柱坐標表示，則討論1. W0，則表示位錯和溶質(zhì)原子相互排斥。2.交互作用能W1/r，即距離位錯中心越近，|W|越大，當r增大則|W|減小，但r不能小于位錯寬度，即上式不適合于位錯中心區(qū)。3.位錯與溶質(zhì)原子的相對位置影響W值的大小 。當sin=1時， =/2，3/2，時， |W|為|W|max，具有極大值。4. RR0，溶質(zhì)原子引起晶體體積的膨脹。若0，溶質(zhì)原子位于正刃型位錯的上方，則W0；若2，溶質(zhì)原子位于正刃位錯的下方，則W0。半徑大于溶劑的置換原子

7、，位于正刃位錯的下方最穩(wěn)定。5.若RR0，溶質(zhì)原子溶入后引起晶體體積收縮。若0，W0各個位錯所受到的力等于外加力F=0b,與其它位錯對i位錯作用力之和：采用數(shù)值解平衡態(tài)時，fi=0,而i從1到(n-1)，可列出n-1個方程，當n很大時，(n-1)2=n2，L=Xn-1,2.6.2 塞積群對障礙的作用力 障礙施加短程作用力，和領(lǐng)先位錯起作用，整個塞積群移動x，W=bx,短程力為，另外整個塞積群移動x，W=n0bx兩者相等，利用虛功原理，求出=n0, 即塞積群處產(chǎn)生應力集中，大小為外加切應力的n倍2.6.3 位錯增殖實現(xiàn)晶體的塑性變形，要靠大量位錯運動到晶體表面，雖然晶體結(jié)晶時能產(chǎn)生一定量位錯，但

8、遠遠不夠。理想的答案是：在外力的作用下，晶體中會不斷地形成位錯，形成位錯的機制是：A：Frank-Read源機制；B：單軸機制；C：螺位錯雙交滑移機制 Frank-Read源機制如下圖，位錯AB兩端被固定，如第二相質(zhì)點、界面、位錯交割點等都可以固定位錯。位錯彎曲為固定點之間距離的半圓狀，則曲率半徑最小，位錯線仍然保持位錯的性質(zhì)。此時受力最大1243pqLAB單軸機制如一螺型位錯AB一端被固定，但另一端繞該點環(huán)繞運動，位錯線呈螺旋狀。XY 螺位錯雙交滑移機制刃型割階不可動，則螺位錯在兩個滑移面上按Frank-Read源增殖b螺滑移面刃割階晶界源機制習題1、證明平行刃位錯之間的作用力與位錯密度之間

9、的關(guān)系為：2、兩個同號刃位錯，分別處于相距為30nm的平行的滑移面上兩位錯中心連線和滑移面成15o,若把它們推到穩(wěn)定的位置，要克服多大的勢壘？ G=6.51010pa， 3、面心立方晶體從600淬火到室溫（20 ），估計位錯所受化學力大小和方向。相當于多大的正應力才獲得這樣大的化學力？a=0.36nm 空位形成能為1ev （1ev=1.60210-19J ）4、兩根同號刃位錯在相距1000b的滑移面上，加應力后兩位錯如何運動？哪一個運動得快些？如果下面位錯受阻，上面位錯運動要增加最大阻力是多少？G=4.51011pa , b=0.25nm 2.8 實際晶體中的位錯1. 全位錯和不全位錯2. 位

10、錯的分解與合成Frank定律3. 面心立方晶體中的堆垛層錯4. 面心立方晶體中的肖克萊位錯5. 面心立方晶體中的擴展位錯6. 面心立方晶體中的湯姆遜四面體7. 面心立方晶體中的Frank位錯8. 擴展位錯的束集與交滑移全位錯：如果位錯的柏氏矢量是點陣矢量，并且數(shù)值上最短，則該位錯稱為全位錯。 2.8.1 全位錯和不全位錯不全位錯滑動后，出現(xiàn)滑移面錯排，稱層錯。晶體中的層錯能低，則會發(fā)生全位錯分解為不全位錯，是層錯的邊界。 不全位錯：一個位錯的柏氏矢量不是相應于并小于一個完整點陣矢量的，則該位錯稱不全位錯。位錯有分解和合成的行為。位錯分解和合成條件：1. 幾何條件：位錯反應必須保證矢量的守恒性，

11、而且從晶體結(jié)構(gòu)上也必須具備這種矢量守恒性存在的幾何條件。2.8.2 位錯的分解與合成Frank定律2. 能量條件：位錯的能量正比于位錯b2的平方，則堆垛層錯：在正常的堆垛次序中發(fā)生了錯誤堆垛次序形成的面缺陷。結(jié)構(gòu)密排面111的堆垛順序為ABCABCABC. 2.2.5.3 面心立方晶體中的堆垛層錯 A.內(nèi)稟(intrinsic)層錯：層錯兩側(cè)晶體排列是正確順序。正常堆垛中抽出一層原子而成，如抽出C層, .AB|ABCABC. ，|為層錯中心。如B層以上向下方向切動 ，則BC，CA，AB., .ABCABCABC. .CABCA. .ABCA|CABCA沿(111)面發(fā)生面切變，切動 ，也可產(chǎn)生

12、內(nèi)稟層錯。 如果111面固定一層，如C，兩側(cè)分別切動，可構(gòu)成 CABCABCABCABC. CABCACBCABCA. B.外稟層錯(extrinsic)：正常堆垛順序中插入一層原子而成。如插入C層，.ABCACBCABC.孿晶面有兩層原子面，為層錯中心。 金屬1(內(nèi)稟)2(外稟)G(晶界)表面(爾格/cm2)Ag207901140Al270120625Cu73446461725Au55103641485Pt9519610003000Ni4006901725兩種層錯都是密排面的錯排,層錯能低,可計算層錯能如下表：在(111) 開動滑移，相當于 位錯掃過(111)面。設想這種掃過分兩步完成，即A

13、位置上的原子滑到B位置上去(滑 )，然后再從B位置滑到A位置(滑 )，沿原子之間縫滑移很容易，產(chǎn)生的錯排少，需的錯排能低。 2.2.6.4 肖克萊(Shockley)不全位錯層錯可以滑移，同時也可伴隨層錯區(qū)的擴大與縮小。 肖克萊位錯不能攀移一個全位錯分解成兩個不全位錯，其間還夾帶著一個層錯區(qū)，這一組合稱擴展位錯。層錯的存在使系統(tǒng)能量增加，若不全位錯相距d，單位長度位錯線增加能量為d,力求把兩位錯距離減小，受力為 兩位錯相吸引6.5 擴展位錯(extended dislocation)d同時，兩位錯存在交互作用力是斥力，設兩位錯平行，則b是全位錯矢量位錯擴展寬度反比于層錯能， 很大時，d很小，甚

14、至沒有擴展。因此，全位錯能否分解為不全位錯，不能僅依靠Frank判據(jù)，還要依賴于層錯能。Cu不銹鋼、-黃銅，層錯能低，擴展寬度大，難于交滑移。塑性差。Al、Ni層錯能高，幾乎不擴展，易交滑移，塑性好。面心立方晶體的主要位錯都在111面上。在面心立方晶體中取四個相鄰近原子(1/2，0，1/2)-A點，(0，1/2，1/2)-B點，(1/2，1/2，0)-C點，以及(0，0，0)-D點。如下圖，聯(lián)線構(gòu)成Thompson四面體，包含有四個111面，六個 方向，十二個 ,把A，B，C，D點的對面稱為(a) (b) (c) (d)面，各面的三角形中心記為，以(d)面為基礎(chǔ)，把其它三個面展開構(gòu)成一個大三角

15、形。 5.6 湯普遜四面體ABCDDDDABC兩個英文字母組成 型矢量，正反向共十二種。如AB A，B，C，D八種表示 型矢量，英文希臘字母組成 ，24種，如C等 5.7 Frank 不全位錯如果晶體存在過飽和空位濃度，往往在密排面111聚集沉積，當沉積的空位達到一定值后，會崩塌成內(nèi)稟層錯，邊緣為不全位錯。柏氏矢量為A，B，C，D，相當于抽出一層密排面S-Frank.與此類似，間隙原子在111面沉積一個原子片，其邊緣也是一個不全位錯，柏氏矢量也是A，B，C，D，即 ，是外稟層 錯D-Frank.ACBACBBCABACCBACBAFank不全位錯的滑移面是垂直于111面的，不能滑動，可攀移。若其中的層錯中萌生Shockley位錯并長大，掃過全部層錯后