材料科學(xué)基礎(chǔ)-位錯反應(yīng)和擴(kuò)展位錯

章晶體缺陷（六）

——實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯

2021/6/271面心立方晶體中的典型位錯柏氏矢量位錯類型刃、螺、混刃、螺、混純?nèi)形诲e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)動方式滑移、攀移只滑不攀只攀不滑位錯名稱全位錯肖克萊位錯弗蘭克位錯2021/6/272

4.位錯反應(yīng)(dislocationreaction)：4.位錯反應(yīng)實(shí)際晶體中，組態(tài)不穩(wěn)定的位錯可以轉(zhuǎn)化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯;具有不同b的位錯線可以合并為一條位錯線；反之，一條位錯線也可以分解為兩條或多條具有不同b的位錯線。位錯反應(yīng)－位錯之間相互轉(zhuǎn)換(即柏氏矢量的合成與分解)。2021/6/2734.位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個條件：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)后諸位錯的總能量小于反應(yīng)前諸位錯的總能量，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)。所以位錯反應(yīng)中，一般規(guī)定反應(yīng)前位錯線指向節(jié)點(diǎn)，反應(yīng)后離開節(jié)點(diǎn)。2021/6/274①一個位錯分解成兩個或多個具有柏氏矢量的位錯，面心立方晶體中一個全位錯分解成兩個肖克萊不全位錯。②兩個或多個具有不同柏氏矢量的不全位錯合并成一個全位錯，一個肖克萊不全位錯和一個弗蘭克不全位錯合并成一個全位錯。③兩個全位錯合并成另一全位錯。④兩個位錯合并重新組合成另兩個位錯，如體心立方中：4.位錯反應(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.位錯反應(yīng)2021/6/276例：fcc中，柏氏矢量為的位錯能否分解成單位位錯？結(jié)構(gòu)條件：滿足能量條件：滿足4.位錯反應(yīng)2021/6/277

5.面心立方晶體中的位錯Thompson四面體：可以幫助確定fcc結(jié)構(gòu)中的位錯反應(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個外表面（等邊三角形）的中心分別用α、β、γ、δ表示，并分別對應(yīng)A、B、C、D四個頂點(diǎn)所對的面。這樣A、B、C、D、α、β、γ、δ等8個點(diǎn)中的每2個點(diǎn)連成的向量就表示了fcc晶體中所有重要位錯的柏氏矢量。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中全位錯的12個可能的柏氏矢量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）和通過該頂點(diǎn)的外表面中心（不對應(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)求得不對應(yīng)的羅-希向量是fcc中24個Shockley不全位錯的柏氏矢量2、不對應(yīng)的羅-希向量2021/6/2714BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ4個頂點(diǎn)到它所對的三角形中點(diǎn)的連線代表8個1/3＜111＞型的滑移矢量。根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對應(yīng)的羅－希向量：對應(yīng)的羅－希向量就是fcc中8個Frank不全錯的柏氏矢量。3、對應(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中壓桿位錯的柏氏矢量。BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ4、希-希向量2021/6/27162)擴(kuò)展位錯2021/6/2717面心立方中擴(kuò)展位錯的進(jìn)一步解釋：

正常堆垛ABCABC….B位置到C位置：ABCACB….，層錯2021/6/27182)擴(kuò)展位錯由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)。面心立方晶體中，能量最低的全位錯是處在(111)面上的柏氏矢量為的單位位錯?，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A層原子位置的低谷位置。a)全位錯的滑移若單位位錯在切應(yīng)力作用下沿著(111)在A層原子面上滑移時，則B層原子從B1位置滑動到相鄰的B2位置，點(diǎn)陣排列沒有變化，不存在層錯現(xiàn)象。但需要越過A層原子的“高峰”，這需要提供較高的能量。面心立方晶體中，能量最低的全位錯是處在(111)面上的柏氏矢量為的單位位錯?，F(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B2位置，即，這種滑移比較容易。b)及分位錯的滑移及其間的層錯第一步當(dāng)B層原子移到C位置時，將在(111)面上導(dǎo)致堆垛順序變化，即由原來的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。

而第二步從C位置再移到B位置時，則又恢復(fù)正常堆垛順序。2021/6/2720每一步滑移造成了層錯，因此，層錯區(qū)與正常區(qū)之間必然會形成兩個不全位錯。故和為肖克萊不全位錯。也就是說，一個全位錯分解為兩個肖克萊不全位錯和，全位錯的運(yùn)動由兩個不全位錯的運(yùn)動來完成，即

這個位錯反應(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)展位錯分解后的這兩個不全位錯位于同一滑移面上，其柏氏矢量夾角是60°，它們是互相排斥的，有分開的趨勢，在兩個不全位錯之間夾了一片層錯區(qū)。通常我們將這種兩個不全位錯夾一個層錯區(qū)的組態(tài)稱之為擴(kuò)展位錯。2021/6/2722BBBBBBCCACCAb1

b2

b3

b1

b2

b3

Cb1=b2+b3+SF

2)擴(kuò)展位錯2021/6/2723（1）擴(kuò)展位錯的寬度為了降低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，則相當(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γ（即單位面積層錯能）。兩個不全位錯間的斥力則力圖增加寬度，當(dāng)斥力與吸力相平衡時，不全位錯之間的距離一定，這個平衡距離便是擴(kuò)展位錯的寬度d。面心立方晶體中的擴(kuò)展位錯2021/6/2724當(dāng)f與層錯能γ相等時，處于平衡∴擴(kuò)展位錯的寬度:層錯能↑，擴(kuò)展寬度d↓，相反則↑。dbCoAgCuAuAlNi0.020.020.040.060.200.25J/m2兩個平行不全位錯之間的斥力（1）擴(kuò)展位錯的寬度2021/6/2725純螺位錯在面上分解運(yùn)動過程中，若前方受阻，兩個偏位錯束集成全位錯。當(dāng)雜質(zhì)原子或其它因素使層錯面上某些地區(qū)的能量提高時，該地區(qū)的擴(kuò)展位錯就會變窄，甚至收縮成一個結(jié)點(diǎn)，又變成原來的全位錯，這個現(xiàn)象稱為位錯的束集。

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

B+B

新位錯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。另外，它還帶著兩片分別位于（111）和（11－1）面上的層錯以及兩個不全位錯，在兩個（111）面的面角上，這種由于三個不全位錯和兩片層錯構(gòu)成的位錯組態(tài)稱為Lomer－Cottrell位錯另外，它還帶著兩片分別位于（111）和面上的層錯以及兩個不全位錯，在兩個（111）面的面角上，這種由于三個不全位錯和兩片層錯構(gòu)成的位錯組態(tài)稱為Lomer－Cottrell位錯2021/6/2734面心立方結(jié)構(gòu)中，在和面上有兩個全位錯b1和b2：4.面角位錯(L-C位錯、壓桿位錯)2021/6/2735兩個全位錯b1和b2發(fā)生分解，形成擴(kuò)展位錯：4.面角位錯(L-C位錯、壓桿位錯)2021/6/2736在外力作用下，兩個擴(kuò)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，發(fā)生合成反應(yīng)：面角位錯反應(yīng)生成兩面一夾角組態(tài)的面角位錯。4.面角位錯(L-C位錯、壓桿位錯)2021/6/2737例題一若面心立方晶體中有的單位位錯及

的不全位錯，此二位錯相遇后發(fā)生位錯反應(yīng)。問：1、此位錯反應(yīng)能否進(jìn)行？為什么？2、寫出合成位錯的柏氏矢量，并說明合成位錯的性質(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，b與層錯面和位錯線垂直，故是純?nèi)行汀?021/6/2739例題二試分析在FCC中，下列位錯反應(yīng)能否進(jìn)行？并指出其中三個位錯的性質(zhì)類型？反應(yīng)后生成的新位錯能否在滑移面上運(yùn)動？2021/6/27402021/6/2741在A1的單晶體中，若(111)面上有一位錯與面上的位錯發(fā)生反應(yīng)時，(1)寫出上述位錯反應(yīng)方程式，并用能量條件判明位錯反應(yīng)進(jìn)行的方向，(2)說明新位錯的性質(zhì)；例題三2021/6/2742解：(1)位錯反應(yīng)可以向右進(jìn)行（2）新位錯為面心立方點(diǎn)陣的單位位錯，其位