晶體結(jié)構(gòu)缺陷三

晶體結(jié)構(gòu)缺陷三第1頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、晶體的塑性和強(qiáng)度二、位錯(cuò)的類型三、位錯(cuò)的伯格斯矢量（Burgersvector）及位錯(cuò)的性質(zhì)

四、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能五、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)六、位錯(cuò)的反應(yīng)第2頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、晶體的塑性和強(qiáng)度（一）完整晶體的塑性變形方式

1.晶體在外力作用下的滑移

2.晶體在外力作用下的孿生（二）完整晶體的理論切變強(qiáng)度

第3頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）完整晶體的塑性變形方式1.晶體在外力作用下的滑移（圖２－６）滑移的定義滑移的結(jié)果滑移的可能性（滑移系統(tǒng)）：在最密排晶面（稱為滑移面）的最密排晶向（稱為滑移方向）上進(jìn)行晶體滑移的臨界分切應(yīng)力（c）：開(kāi)動(dòng)晶體滑移系統(tǒng)所需的最小分切應(yīng)力2.晶體在外力作用下的孿生在外力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分，沿著一定的晶面和晶向發(fā)生切變，切變之后，兩部分晶體的位向以切變面為鏡面呈對(duì)稱關(guān)系。第4頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-6外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）

ττ第5頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-7單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）

（a）變形前（b）變形后第6頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖2-8面心立方晶體（111）孿生示意圖

(b)（）晶面：孿生過(guò)程中（111）晶面的移動(dòng)情況(a)孿生面、孿生方向的方位第7頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）完整晶體的理論切變強(qiáng)度按照完整晶體滑移模型，使晶體滑移所需的臨界切應(yīng)力，即使整個(gè)滑移面的原子從一個(gè)平衡位置移動(dòng)到另一個(gè)平衡位置時(shí)，克服能壘所需要的切應(yīng)力，晶面間的滑移是滑移面上所有原子整體協(xié)同移動(dòng)的結(jié)果，這樣可以把晶體的相對(duì)滑移簡(jiǎn)化為兩排原子間的滑移，晶體的理論切變強(qiáng)度m為：

Gx/a=msin（2x/）=m2x/

當(dāng)x很小時(shí)，于是，m=G/（2a）對(duì)于簡(jiǎn)單立方晶體，a=，則m=G/（2）第8頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滑移機(jī)理所施加的力必須足以使原子間的鍵斷裂，才能產(chǎn)生滑移壓力大小約為E/15F第9頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、位錯(cuò)的類型晶體在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根據(jù)原子的滑移方向和位錯(cuò)線取向的幾何特征不同，位錯(cuò)分為刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)。第10頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）、刃位錯(cuò)形成及定義（圖2-11）：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)（或棱位錯(cuò)）。幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯(cuò)線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯(cuò)線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。分類：正刃位錯(cuò)，“”；負(fù)刃位錯(cuò)，“T”。符號(hào)中水平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。第11頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-11刃位錯(cuò)示意圖

第12頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）、螺位錯(cuò)形成及定義（圖2-12）：晶體在外加切應(yīng)力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位錯(cuò)線周圍的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺位錯(cuò)。幾何特征：位錯(cuò)線與原子滑移方向相平行；位錯(cuò)線周圍原子的配置是螺旋狀的。分類：有左、右旋之分，分別以符號(hào)“”和“”表示。其中小圓點(diǎn)代表與該點(diǎn)垂直的位錯(cuò)，旋轉(zhuǎn)箭頭表示螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。它們之間符合左手、右手螺旋定則。第13頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-12螺位錯(cuò)形成示意圖第14頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-13（b）螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況（a）與螺位錯(cuò)垂直的晶面的形狀第15頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在外力作用下，兩部分之間發(fā)生相對(duì)滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如圖2-14所示。位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。（三）、混合位錯(cuò)第16頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-14（a）混合位錯(cuò)的形成（b）混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖（c）混合位錯(cuò)線附近原子滑移透視圖第17頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、位錯(cuò)的伯格斯矢量（Burgersvector）及位錯(cuò)的性質(zhì)

伯格斯矢量：晶體中有位錯(cuò)存在時(shí)，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移或畸變。性質(zhì)：大小表征了位錯(cuò)的單位滑移距離，方向與滑移方向一致。第18頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）、伯格斯矢量的確定及表示1.確定伯格斯矢量的步驟（1）對(duì)于給定點(diǎn)的位錯(cuò)，人為規(guī)定位錯(cuò)線的方向，如圖2-15所示。（2）

用右手螺旋定則確定伯格斯回路方向。（3）按照?qǐng)D2-15所示的規(guī)律走回路，最后封閉回路的矢量即要求的伯氏矢量。

2.伯氏矢量的表示方法

b=ka[uvw]第19頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-15簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)中，圍繞刃位錯(cuò)的伯格斯回路第20頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）、伯氏矢量的守恒性對(duì)一條位錯(cuò)線而言，其伯氏矢量是固定不變的，此即位錯(cuò)的伯氏矢量的守恒性。推論：

1.一條位錯(cuò)線只有一個(gè)伯氏矢量。2.如果幾條位錯(cuò)線在晶體內(nèi)部相交（交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)），則指向節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和，必然等于離開(kāi)節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量之和。第21頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）、位錯(cuò)線的連續(xù)性及位錯(cuò)密度

1.位錯(cuò)線的連續(xù)性位錯(cuò)線不可能中斷于晶體內(nèi)部。在晶體內(nèi)部，位錯(cuò)線要么自成環(huán)狀回路，要么與其它位錯(cuò)相交于節(jié)點(diǎn)，要么穿過(guò)晶體終止于晶界或晶體表面。

第22頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度ρ=L/V式中L為晶體長(zhǎng)度，n為位錯(cuò)線數(shù)目，S晶體截面積。一般退火金屬晶體中為104~108cm-2數(shù)量級(jí)，經(jīng)劇烈冷加工的金屬晶體中，為1012~1014cm-2第23頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能理論基礎(chǔ)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型假設(shè)：1.完全服從虎克定律，即不存在塑性變形；2.各向同性；3.連續(xù)介質(zhì)，不存在結(jié)構(gòu)間隙。位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng):

刃位錯(cuò)上面的原子處于壓應(yīng)力狀態(tài)，為壓應(yīng)力場(chǎng)，刃位錯(cuò)下面的原子處于張應(yīng)力狀態(tài)，為張應(yīng)力場(chǎng)。圍繞一個(gè)螺位錯(cuò)的晶體圓柱體區(qū)域也有應(yīng)力場(chǎng)存在。第24頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月位錯(cuò)的應(yīng)變能Wtot

位錯(cuò)使其周圍點(diǎn)陣畸變，點(diǎn)陣能量增加，點(diǎn)陣所增加的能量即為位錯(cuò)的應(yīng)變能。包括兩部分：Wtot=Wcore+Wel（1）位錯(cuò)核心能Wcore

，在位錯(cuò)核心幾個(gè)原子間距ro=2|b|=2b以內(nèi)的區(qū)域，滑移面兩側(cè)原子間的錯(cuò)排能即相當(dāng)于位錯(cuò)核心能。錯(cuò)排能約占位錯(cuò)能的1/10，可忽略。（2）彈性應(yīng)變能Wel

，在位錯(cuò)核心區(qū)以外，長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)作用范圍所具有的能量，約占位錯(cuò)能的9/10。第25頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總之：（1）位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能WellnR，即隨R緩慢地增加，所以位錯(cuò)具有長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)。（2）位錯(cuò)的能量是以單位長(zhǎng)度的能量來(lái)定義的，直線位錯(cuò)更穩(wěn)定。（3）位錯(cuò)的彈性應(yīng)變能可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)式：W=Gb2。式中W為單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線的彈性應(yīng)變能，G是剪切模量，b是柏氏矢量，α=1/4πl(wèi)nR/r0其中R是晶體的外徑、r0是位錯(cuò)核心的半徑，系數(shù)由位錯(cuò)的類型、密度（R值）決定，其值的范圍為0.5~1.0。意義：上式表明W∝b2，故可用柏氏矢量的大小來(lái)判斷晶體哪些地方最容易形成位錯(cuò)。第26頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移：指位錯(cuò)在外力作用下，在滑移面上的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致永久形變。位錯(cuò)的攀移：指在熱缺陷的作用下，位錯(cuò)在垂直滑移方向的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致空位或間隙原子的增值或減少。第27頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）、位錯(cuò)的滑移

1.位錯(cuò)滑移的機(jī)理（圖2-16）位錯(cuò)在滑移時(shí)是通過(guò)位錯(cuò)線或位錯(cuò)附近的原子逐個(gè)移動(dòng)很小的距離完成的。圖2-16刃位錯(cuò)的滑移（a）正刃位錯(cuò)滑移方向與外力方向相圖（b）負(fù)刃位錯(cuò)滑移方向與外力方向相反第28頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)混合位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)第29頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.位錯(cuò)的滑移特點(diǎn)（1）刃位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b平行，正、負(fù)刃位錯(cuò)滑移方向相反。（2）螺位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位錯(cuò)滑移方向相反。（3）混合位錯(cuò)滑移方向與外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位錯(cuò)線法線方向滑移）。（4）晶體的滑移方向與外力及位錯(cuò)的伯氏矢量b相一致，但并不一定與位錯(cuò)的滑移方向相同。第30頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）、位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移指在熱缺陷或外力作用下，位錯(cuò)線在垂直其滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致晶體中空位或間隙質(zhì)點(diǎn)的增殖或減少。刃位錯(cuò)除了滑移外，還可進(jìn)行攀移運(yùn)動(dòng)。攀移的實(shí)質(zhì)是多余半原子面的伸長(zhǎng)或縮短。螺位錯(cuò)沒(méi)有多余半原子面，故無(wú)攀移運(yùn)動(dòng)。第31頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-17刃位錯(cuò)攀移示意圖

（a）正攀移（半原子面縮短）(b)未攀移（c）負(fù)攀移（半原子面伸長(zhǎng)）第32頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月位錯(cuò)的攀移力（使位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)的力）包括：（1）化學(xué)攀移力Fs，是指不平衡空位濃度施加給位錯(cuò)攀移的驅(qū)動(dòng)力。（2）彈性攀移力Fc，是指作用于半原子面上的正應(yīng)力分量作用下，刃位錯(cuò)所受的力。位錯(cuò)攀移的激活能Uc由割階形成的激活能Uj及空位的擴(kuò)散活化能Ud兩部分所組成。常溫下位錯(cuò)靠熱激活來(lái)攀移是很困難的。但是，在許多高溫過(guò)程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀移卻起著重要作用。位錯(cuò)攀移在低溫下是難以進(jìn)行的，只有在高溫下才可能發(fā)生。第33頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、位錯(cuò)的反應(yīng)由于位錯(cuò)間相互作用力的存在，使得位錯(cuò)之間有可能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化或相互作用，此即位錯(cuò)反應(yīng)。位錯(cuò)能否發(fā)生