材料科學(xué)基礎(chǔ)-位錯(cuò)反應(yīng)和擴(kuò)展位錯(cuò)

章晶體缺陷（六）

——實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)

2021/6/271面心立方晶體中的典型位錯(cuò)柏氏矢量位錯(cuò)類型刃、螺、混刃、螺、混純?nèi)形诲e(cuò)線形狀空間曲線｛111｝面上任意曲線｛111｝面上任意曲線可能運(yùn)動(dòng)方式滑移、攀移只滑不攀只攀不滑位錯(cuò)名稱全位錯(cuò)肖克萊位錯(cuò)弗蘭克位錯(cuò)2021/6/272

4.位錯(cuò)反應(yīng)(dislocationreaction)：4.位錯(cuò)反應(yīng)實(shí)際晶體中，組態(tài)不穩(wěn)定的位錯(cuò)可以轉(zhuǎn)化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯(cuò);具有不同b的位錯(cuò)線可以合并為一條位錯(cuò)線；反之，一條位錯(cuò)線也可以分解為兩條或多條具有不同b的位錯(cuò)線。位錯(cuò)反應(yīng)－位錯(cuò)之間相互轉(zhuǎn)換(即柏氏矢量的合成與分解)。2021/6/2734.位錯(cuò)反應(yīng)位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個(gè)條件：①幾何條件：反應(yīng)前的柏氏矢量和等于反應(yīng)后的柏氏矢量和。②能量條件：反應(yīng)后諸位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量，這是熱力學(xué)定律所要求的。b1b2b3注意：b的方向與規(guī)定的ξ的正向有關(guān)。所以位錯(cuò)反應(yīng)中，一般規(guī)定反應(yīng)前位錯(cuò)線指向節(jié)點(diǎn)，反應(yīng)后離開節(jié)點(diǎn)。2021/6/274①一個(gè)位錯(cuò)分解成兩個(gè)或多個(gè)具有柏氏矢量的位錯(cuò)，面心立方晶體中一個(gè)全位錯(cuò)分解成兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)。②兩個(gè)或多個(gè)具有不同柏氏矢量的不全位錯(cuò)合并成一個(gè)全位錯(cuò)，一個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)和一個(gè)弗蘭克不全位錯(cuò)合并成一個(gè)全位錯(cuò)。③兩個(gè)全位錯(cuò)合并成另一全位錯(cuò)。④兩個(gè)位錯(cuò)合并重新組合成另兩個(gè)位錯(cuò)，如體心立方中：4.位錯(cuò)反應(yīng)2021/6/275上例中：結(jié)構(gòu)條件：滿足能量條件：滿足∴反應(yīng)能進(jìn)行4.位錯(cuò)反應(yīng)2021/6/276例：fcc中，柏氏矢量為的位錯(cuò)能否分解成單位位錯(cuò)？結(jié)構(gòu)條件：滿足能量條件：滿足4.位錯(cuò)反應(yīng)2021/6/277

5.面心立方晶體中的位錯(cuò)Thompson四面體：可以幫助確定fcc結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)反應(yīng)。1)湯普森四面體2021/6/2781)湯普森四面體αβγ(b)四面體外表面中心位置2021/6/279c）湯普森四面體的展開1)湯普森四面體2021/6/2710用于表示fcc晶體中的位錯(cuò)反應(yīng)Thompson四面體在fcc晶胞中的位置：D點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)，其余頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為，A(1/2,

0,

1/2)，B(0,

1/2,

1/2)，C(1/2,

1/2,

0)。四面體4個(gè)外表面（等邊三角形）的中心分別用α、β、γ、δ表示，并分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D四個(gè)頂點(diǎn)所對(duì)的面。這樣A、B、C、D、α、β、γ、δ等8個(gè)點(diǎn)中的每2個(gè)點(diǎn)連成的向量就表示了fcc晶體中所有重要位錯(cuò)的柏氏矢量。1)湯普森四面體2021/6/2711ABCDαβδγ1)湯普森四面體2021/6/2712BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ由四面體頂點(diǎn)A、B、C、D（羅馬字母）連成的向量：羅-羅向量就是fcc中全位錯(cuò)的12個(gè)可能的柏氏矢量1)湯普森四面體1、羅-羅向量2021/6/2713BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ由四面體頂點(diǎn)（羅馬字母）和通過(guò)該頂點(diǎn)的外表面中心（不對(duì)應(yīng)的希臘字母）連成的向量：這些向量可以由三角形重心性質(zhì)求得不對(duì)應(yīng)的羅-希向量是fcc中24個(gè)Shockley不全位錯(cuò)的柏氏矢量2、不對(duì)應(yīng)的羅-希向量2021/6/2714BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ4個(gè)頂點(diǎn)到它所對(duì)的三角形中點(diǎn)的連線代表8個(gè)1/3＜111＞型的滑移矢量。根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對(duì)應(yīng)的羅－希向量：對(duì)應(yīng)的羅－希向量就是fcc中8個(gè)Frank不全錯(cuò)的柏氏矢量。3、對(duì)應(yīng)的羅-希向量2021/6/2715所有希－希向量也都可以根據(jù)向量合成規(guī)則求得：同理可得：希－希向量就是fcc中壓桿位錯(cuò)的柏氏矢量。BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ4、希-希向量2021/6/27162)擴(kuò)展位錯(cuò)2021/6/2717面心立方中擴(kuò)展位錯(cuò)的進(jìn)一步解釋：

正常堆垛ABCABC….B位置到C位置：ABCACB….，層錯(cuò)2021/6/27182)擴(kuò)展位錯(cuò)由一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài)。面心立方晶體中，能量最低的全位錯(cuò)是處在(111)面上的柏氏矢量為的單位位錯(cuò)?，F(xiàn)考慮它沿(111)面的滑移情況。

如圖(111)面上的圓球位置為A層位置，B層和C層的原子分別處于三個(gè)A層原子位置的低谷位置。a)全位錯(cuò)的滑移若單位位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿著(111)在A層原子面上滑移時(shí)，則B層原子從B1位置滑動(dòng)到相鄰的B2位置，點(diǎn)陣排列沒(méi)有變化，不存在層錯(cuò)現(xiàn)象。但需要越過(guò)A層原子的“高峰”，這需要提供較高的能量。面心立方晶體中，能量最低的全位錯(cuò)是處在(111)面上的柏氏矢量為的單位位錯(cuò)。現(xiàn)考慮它沿(111)面的滑移情況。

2021/6/2719但如果滑移分兩步完成，即先從B1位置沿A原子間的“低谷”滑移到鄰近的C位置，即；然后再由C滑移到另一個(gè)B2位置，即，這種滑移比較容易。b)及分位錯(cuò)的滑移及其間的層錯(cuò)第一步當(dāng)B層原子移到C位置時(shí)，將在(111)面上導(dǎo)致堆垛順序變化，即由原來(lái)的ABCABC...正常堆垛順序變?yōu)锳BCACABC...。這種原子堆垛次序遭到破壞現(xiàn)象稱為堆垛層錯(cuò)。

而第二步從C位置再移到B位置時(shí)，則又恢復(fù)正常堆垛順序。2021/6/2720每一步滑移造成了層錯(cuò)，因此，層錯(cuò)區(qū)與正常區(qū)之間必然會(huì)形成兩個(gè)不全位錯(cuò)。故和為肖克萊不全位錯(cuò)。也就是說(shuō)，一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)和，全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，即

這個(gè)位錯(cuò)反應(yīng)從幾何條件和能量條件判斷均是可行的，因?yàn)閹缀螚l件：能量條件：2021/6/27212)擴(kuò)展位錯(cuò)分解后的這兩個(gè)不全位錯(cuò)位于同一滑移面上，其柏氏矢量夾角是60°，它們是互相排斥的，有分開的趨勢(shì)，在兩個(gè)不全位錯(cuò)之間夾了一片層錯(cuò)區(qū)。通常我們將這種兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一個(gè)層錯(cuò)區(qū)的組態(tài)稱之為擴(kuò)展位錯(cuò)。2021/6/2722BBBBBBCCACCAb1

b2

b3

b1

b2

b3

Cb1=b2+b3+SF

2)擴(kuò)展位錯(cuò)2021/6/2723（1）擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度為了降低兩個(gè)不全位錯(cuò)間的層錯(cuò)能，力求把兩個(gè)不全位錯(cuò)的間距縮小，則相當(dāng)于給予兩個(gè)不全位錯(cuò)一個(gè)吸力，數(shù)值等于層錯(cuò)的表面張力γ（即單位面積層錯(cuò)能）。兩個(gè)不全位錯(cuò)間的斥力則力圖增加寬度，當(dāng)斥力與吸力相平衡時(shí)，不全位錯(cuò)之間的距離一定，這個(gè)平衡距離便是擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度d。面心立方晶體中的擴(kuò)展位錯(cuò)2021/6/2724當(dāng)f與層錯(cuò)能γ相等時(shí)，處于平衡∴擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度:層錯(cuò)能↑，擴(kuò)展寬度d↓，相反則↑。dbCoAgCuAuAlNi0.020.020.040.060.200.25J/m2兩個(gè)平行不全位錯(cuò)之間的斥力（1）擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度2021/6/2725純螺位錯(cuò)在面上分解運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，若前方受阻，兩個(gè)偏位錯(cuò)束集成全位錯(cuò)。當(dāng)雜質(zhì)原子或其它因素使層錯(cuò)面上某些地區(qū)的能量提高時(shí)，該地區(qū)的擴(kuò)展位錯(cuò)就會(huì)變窄，甚至收縮成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，又變成原來(lái)的全位錯(cuò)，這個(gè)現(xiàn)象稱為位錯(cuò)的束集。

束集可以看作位錯(cuò)擴(kuò)展的反過(guò)程。（2）擴(kuò)展位錯(cuò)的束集2021/6/2726在外力作用下，擴(kuò)展位錯(cuò)收縮成原來(lái)的全位錯(cuò)的過(guò)程稱為束集。（2）擴(kuò)展位錯(cuò)的束集2021/6/2727由于擴(kuò)展位錯(cuò)只能在其所在的滑移面上運(yùn)動(dòng)，若要進(jìn)行交滑移，擴(kuò)展位錯(cuò)必須首先束集成全螺位錯(cuò)，然后交滑移到面上，重新分解成新的擴(kuò)展位錯(cuò)，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)?？偨Y(jié)：在實(shí)際晶體中，由于擴(kuò)展位錯(cuò)的形成，螺位錯(cuò)的交滑移比全位錯(cuò)的交滑移要困難得多，必須經(jīng)束集后才能進(jìn)行。晶體層錯(cuò)能越低，擴(kuò)展位錯(cuò)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。（3）擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移2021/6/2728擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移過(guò)程2021/6/27292021/6/2730（3）位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)Dislocationnetwork實(shí)際晶體中存在幾個(gè)b位錯(cuò)時(shí)會(huì)組成二維或三維的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)2021/6/2731設(shè)：面上有擴(kuò)展位錯(cuò)：面上有擴(kuò)展位錯(cuò)：在相交滑移面上兩個(gè)擴(kuò)展位錯(cuò)的領(lǐng)先位錯(cuò)相遇而成即（a）－BDC面上：即（d）－ABC面上：4.面角位錯(cuò)(L-C位錯(cuò)、壓桿位錯(cuò))2021/6/2732反應(yīng)過(guò)程——滑移面：Lomer-Cottrell位錯(cuò)，面角位錯(cuò)4.面角位錯(cuò)(L-C位錯(cuò)、壓桿位錯(cuò))2021/6/2733該擴(kuò)展位錯(cuò)在各自的滑移面上相向移動(dòng)，當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)中的一個(gè)不全位錯(cuò)到達(dá)交線BC時(shí)，發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)：

B+B

新位錯(cuò)1/6[110]的柏氏矢量在（001）面上，滑移面是（001），因此是固定的純?nèi)行臀诲e(cuò)。另外，它還帶著兩片分別位于（111）和（11－1）面上的層錯(cuò)以及兩個(gè)不全位錯(cuò)，在兩個(gè)（111）面的面角上，這種由于三個(gè)不全位錯(cuò)和兩片層錯(cuò)構(gòu)成的位錯(cuò)組態(tài)稱為L(zhǎng)omer－Cottrell位錯(cuò)另外，它還帶著兩片分別位于（111）和面上的層錯(cuò)以及兩個(gè)不全位錯(cuò)，在兩個(gè)（111）面的面角上，這種由于三個(gè)不全位錯(cuò)和兩片層錯(cuò)構(gòu)成的位錯(cuò)組態(tài)稱為L(zhǎng)omer－Cottrell位錯(cuò)2021/6/2734面心立方結(jié)構(gòu)中，在和面上有兩個(gè)全位錯(cuò)b1和b2：4.面角位錯(cuò)(L-C位錯(cuò)、壓桿位錯(cuò))2021/6/2735兩個(gè)全位錯(cuò)b1和b2發(fā)生分解，形成擴(kuò)展位錯(cuò)：4.面角位錯(cuò)(L-C位錯(cuò)、壓桿位錯(cuò))2021/6/2736在外力作用下，兩個(gè)擴(kuò)展位錯(cuò)向兩個(gè)滑移面的交線處滑移。兩個(gè)領(lǐng)先不全位錯(cuò)b12和b21在交線[110]處相遇，發(fā)生合成反應(yīng)：面角位錯(cuò)反應(yīng)生成兩面一夾角組態(tài)的面角位錯(cuò)。4.面角位錯(cuò)(L-C位錯(cuò)、壓桿位錯(cuò))2021/6/2737例題一若面心立方晶體中有的單位位錯(cuò)及

的不全位錯(cuò)，此二位錯(cuò)相遇后發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)。問(wèn)：1、此位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行？為什么？2、寫出合成位錯(cuò)的柏氏矢量，并說(shuō)明合成位錯(cuò)的性質(zhì)。2021/6/2738解:①幾何條件

②能量條件③屬于弗蘭克不全位錯(cuò)，b與層錯(cuò)面和位錯(cuò)線垂直，故是純?nèi)行汀?021/6/2739例題二試分析在FCC中，下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行？并指出其中三個(gè)位錯(cuò)的性質(zhì)類型？反應(yīng)后生成的新位錯(cuò)能否在滑移面上運(yùn)動(dòng)？2021/6/27402021/6/2741在A1的單晶體中，若(111)面上有一位錯(cuò)與面上的位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，(1)寫出上述位錯(cuò)反應(yīng)方程式，并用能量條件判明位錯(cuò)反應(yīng)進(jìn)行的方向，(2)說(shuō)明新位錯(cuò)的性質(zhì)；例題三2021/6/2742解：(1)位錯(cuò)反應(yīng)可以向右進(jìn)行（2）新位錯(cuò)為面心立方點(diǎn)陣的單位位錯(cuò)，其位