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文檔簡介
1、根據(jù)幾何形態(tài)特征,可把晶體缺陷分為三類:(1)點缺陷、(2)線缺陷、(3)面缺陷(1)點缺陷:特征是在三維空間的各個方向上的尺寸都很小,亦稱為零維缺陷。如空位、間隙原子等。(2)線缺陷:特征是在兩個方向上的尺寸很小,在一個方向上的尺寸較大,亦稱為一維缺陷。如晶體中的各類位錯。(3)面缺陷:特征是在一個方向上的尺寸很小,在另外兩個方向上的尺寸較大,亦稱二維缺陷。如晶界、相界、層錯、晶體表面等。,回顧上堂課內(nèi)容,1,PPT學(xué)習(xí)交流,2,PPT學(xué)習(xí)交流,3,PPT學(xué)習(xí)交流,刃型位錯柏氏矢量的確定(a)有位錯的晶體(b)完整晶體,M,N,O,P,Q,M,N,O,P,Q,柏氏矢量,4,PPT學(xué)習(xí)交流,1
2、.4位錯的應(yīng)力場和應(yīng)變場1.位錯的應(yīng)力場晶體中存在位錯時,位錯線附近的原子偏離了正常位置,引起點陣畸變,從而產(chǎn)生應(yīng)力場。在位錯的中心部,原子排列特別紊亂,超出彈性變形范圍,虎克定律已不適用。中心區(qū)外,位錯形成的彈性應(yīng)力場可用各向同性連續(xù)介質(zhì)的彈性理論來處理。分析位錯應(yīng)力場時,常設(shè)想把半徑約為0.51nm的中心區(qū)挖去,而在中心區(qū)以外的區(qū)域采用彈性連續(xù)介質(zhì)模型導(dǎo)出應(yīng)力場公式。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,為研究位錯應(yīng)力場問題,一般把晶體分作兩個區(qū)域:1)位錯中心附近因畸變嚴(yán)重,須直接考慮晶體結(jié)構(gòu)和原子之間的相互作用。2)遠(yuǎn)離位錯中心區(qū),因畸變較小,可簡化為連續(xù)彈性介質(zhì),用線彈性理論進(jìn)行處理。位錯的畸變:以
3、彈性應(yīng)力場和應(yīng)變能的形式表達(dá)。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,一、應(yīng)力分量:物體中任意一點的應(yīng)力狀態(tài)均可用九個應(yīng)力分量描述。用直角坐標(biāo)方式表達(dá)九個應(yīng)力分量:正應(yīng)力分量:xx、yy、zz切應(yīng)力分量:xy、yz、zx、yx、zy、xz。,下角標(biāo):xx表示應(yīng)力作用面法線方向,表示應(yīng)力的指向。,7,PPT學(xué)習(xí)交流,用圓柱坐標(biāo)方式表達(dá)九個應(yīng)力分量:正應(yīng)力分量:rr、zz),切應(yīng)力分量:r、r、z、z、zr、rz,下角標(biāo):第一個符號表示應(yīng)力作用面的外法線方向,第二個符號表示應(yīng)力的指向。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,在平衡條件下,xy=yx、yz=zy、zx=xz(r=r、z=z、zr=rz),實際只有六個應(yīng)力分量就可充分表
4、達(dá)一個點的應(yīng)力狀態(tài)。,9,PPT學(xué)習(xí)交流,與這六個應(yīng)力分量相應(yīng)的應(yīng)變分量:xx、yy、zz(rr、zz)和xy、yz、zx(r、z、zr)。,10,PPT學(xué)習(xí)交流,(1)螺型位錯的應(yīng)力場,11,PPT學(xué)習(xí)交流,螺型位錯的應(yīng)力場,建立如圖所示的螺型位錯力學(xué)模型。形成螺位錯,晶體只沿Z軸上下滑動,而無徑向和切向位移,故螺位錯只引起切應(yīng)變,而無正應(yīng)變分量。1、以直角坐標(biāo)表示螺位錯周圍的應(yīng)變分量:,2、圓柱坐標(biāo)表示螺位錯周圍的應(yīng)變分量:,12,PPT學(xué)習(xí)交流,螺位錯周圍應(yīng)力分量:由虎克定律得:,圓柱坐標(biāo)下螺位錯周圍應(yīng)力分量:,13,PPT學(xué)習(xí)交流,螺型位錯應(yīng)力場特點:1)沒有正應(yīng)力分量。2)切應(yīng)力分量
5、只與距位錯中心距離r有關(guān),距中心越遠(yuǎn),切應(yīng)力分量越小。3)切應(yīng)力對稱分布,與位錯中心等距的各點應(yīng)力狀態(tài)相同。,14,PPT學(xué)習(xí)交流,(2)刃型位錯應(yīng)力場,15,PPT學(xué)習(xí)交流,刃型位錯的應(yīng)力場,建立刃型位錯力學(xué)模型:模型中圓筒軸線對應(yīng)刃位錯位錯線,圓筒空心部對應(yīng)位錯的中心區(qū)。刃位錯應(yīng)力場公式:,16,PPT學(xué)習(xí)交流,刃型位錯應(yīng)力場特點:1)正應(yīng)力分量與切應(yīng)力分量同時存在。2)各應(yīng)力分量均與z值無關(guān),表明與刃型位錯線平行的直線上各點應(yīng)力狀態(tài)相同。3)應(yīng)力場對稱于Y軸(多余半原子面)。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,4)y0時,xxyyzz0,即在滑移面上無正應(yīng)力,只有切應(yīng)力,且切應(yīng)力最大。5)y0時,x
6、x0;y0時,xx0,即在滑移面上側(cè)x方向為壓應(yīng)力,而在滑移面下側(cè)x方向為拉應(yīng)力。6)xy時,yy及xy均為零。,18,PPT學(xué)習(xí)交流,正刃型位錯周圍的應(yīng)力場,在刃位錯正上方(x=0)有一個純壓縮區(qū)。而在多余原子面底邊的下方是純拉伸區(qū)。沿滑移面(y=0)應(yīng)力是純剪切的。在圍繞位錯的其他位置,應(yīng)力場既有剪切分量,又有拉伸或壓縮分量。,19,PPT學(xué)習(xí)交流,位錯周圍彈性應(yīng)力場的存在增加了晶體的能量,這部分能量稱為位錯的應(yīng)變能。位錯的應(yīng)變能:應(yīng)包括位錯中心區(qū)應(yīng)變能E0和位錯應(yīng)力場引起的彈性應(yīng)變能Ee,即位錯中心區(qū)點陣畸變很大,不能用線彈性理論計算E0。據(jù)估計,E0約為總應(yīng)變能的1/101/15左右,
7、故常忽略,而以Ee代表位錯的應(yīng)變能。位錯的應(yīng)變能:可根據(jù)造成這個位錯所作的功求得。,2.位錯的應(yīng)變能,20,PPT學(xué)習(xí)交流,刃位錯的應(yīng)變能,因形成刃位錯時,位移x是從Ob,是隨r而變的;同時,MN面上的受力也隨r而變。當(dāng)位移為x時,切應(yīng)力r:0時,為克服切應(yīng)力r所作的功:則,單位長度刃位錯的應(yīng)變能。,21,PPT學(xué)習(xí)交流,螺位錯的應(yīng)變能,螺位錯的應(yīng)變能:由螺位錯應(yīng)力分量,同樣也可求單位長度螺位錯的應(yīng)變能:,22,PPT學(xué)習(xí)交流,比較刃位錯應(yīng)變能和螺位錯應(yīng)變能可看出:當(dāng)b相同時,一般金屬泊松比0.30.4,若取=1/3,得即刃位錯彈性應(yīng)變能比螺位錯彈性應(yīng)變能約大50%。,23,PPT學(xué)習(xí)交流,一
8、個位錯線與其柏氏矢量b成角的混合位錯,可分解為一個柏氏矢量模為bsin的刃位錯和一個柏氏矢量模為bcos的螺位錯。分別算出兩位錯分量應(yīng)變能,其和即為混合位錯應(yīng)變能:式中稱為混合位錯角度因素,k10.75。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,從以上各應(yīng)變能的公式可以看出:1)位錯應(yīng)變能與b2成正比,故柏氏矢量模b反映了位錯的強(qiáng)度。b越小,位錯能量越低,在晶體中越穩(wěn)定。為使位錯能量最低,柏氏矢量都趨于取密排方向的最小值。2)當(dāng)r00時應(yīng)變能無窮大,故在位錯中心區(qū)公式不適用。3)r0位錯中心區(qū)半徑,近似地,r0b2.510-8cm;R位錯應(yīng)力場最大作用半徑,在實際晶體中,受亞晶界限制,一般取R10-4。代入各式
9、,則單位長度位錯的應(yīng)變能公式可簡化為:是與幾何因素有關(guān)的系數(shù),均為0.5。,25,PPT學(xué)習(xí)交流,討論和練習(xí)位錯應(yīng)變能約為其總能量的90%。反映了位錯的能量與切變模量成正比,與柏氏矢量的模的平方成反比。練習(xí)1已知銅晶體的切變模量G=41010Nm-2,位錯的柏氏矢量等于原子間距,b=2.510-10m,取=0.75,計算(1)單位長度位錯線的應(yīng)變能。(2)單位體積的嚴(yán)重變形銅晶體內(nèi)部存儲的位錯應(yīng)變能。(設(shè)位錯密度為1010m/cm3),26,PPT學(xué)習(xí)交流,位錯線張力定義:為使位錯線增加一定長度dl所做的功W:顯然,此功應(yīng)等于位錯的應(yīng)變能:常取0.5,于是線張力為:線張力是位錯的一種彈性性質(zhì)。
10、因位錯能量與長度成正比,當(dāng)位錯受力彎曲,位錯線增長,其能量相應(yīng)增高,而線張力則會使位錯線盡量縮短和變直。,2.位錯的線張力,27,PPT學(xué)習(xí)交流,如:一段位錯線,長度ds,曲率半徑r,ds對圓心角d。若存在切應(yīng)力,則單位長度位錯線所受的力為b,它力圖保持這一彎曲狀態(tài)。另外,位錯線存在線張力T,力圖使位錯線伸直,線張力在水平方向的分力為:平衡時,這兩力須相等,即,使位錯彎曲所需的外力,28,PPT學(xué)習(xí)交流,很小時,且因此或可見,由切變力產(chǎn)生作用力b,作用于不能運動的位錯上,則位錯將向外彎曲,其曲率半徑r與成反比。這有助于了解兩端固定位錯的運動、晶體中位錯呈三維網(wǎng)絡(luò)分布的原因(交于一結(jié)點各位錯,線
11、張力趨于平衡)、位錯在晶體中的相對穩(wěn)定等。,29,PPT學(xué)習(xí)交流,1.5位錯的運動及晶體塑性變形位錯的運動有兩種基本形式:滑移和攀移。在一定的切應(yīng)力的作用下,位錯在滑移面上受到垂至于位錯線的作用力。當(dāng)此力足夠大,足以克服位錯運動時受到的阻力時,位錯便可以沿著滑移面移動,這種沿著滑移面移動的位錯運動稱為滑移。刃型位錯的位錯線還可以沿著垂直于滑移面的方向移動,刃型位錯的這種運動稱為攀移。,30,PPT學(xué)習(xí)交流,位錯的滑移刃型位錯:對含刃型位錯的晶體加切應(yīng)力,切應(yīng)力方向平行于柏氏矢量,位錯周圍原子只要移動很小距離,就使位錯由位置(a)移動到位置(b)。當(dāng)位錯運動到晶體表面時,整個上半部晶體相對下半部
12、移動了一個柏氏矢量晶體表面產(chǎn)生了高度為b的臺階。刃型位錯的柏氏矢量b與位錯線t互相垂直,故滑移面為b與t決定的平面,它是唯一確定的。刃型位錯移動的方向與b方向一致,和位錯線垂直。,31,PPT學(xué)習(xí)交流,(a)(b)(c)刃型位錯的滑移,32,PPT學(xué)習(xí)交流,滑移面,滑移臺階,33,PPT學(xué)習(xí)交流,位錯滑移的比喻,34,PPT學(xué)習(xí)交流,螺型位錯:沿滑移面運動時,在切應(yīng)力作用下,螺型位錯使晶體右半部沿滑移面上下相對低移動了一個沿原子間距。這種位移隨著螺型位錯向左移動而逐漸擴(kuò)展到晶體左半部分的原子列。螺型位錯的移動方向與b垂直。此外因螺型位錯b與t平行,故通過位錯線并包含b的隨所有晶面都可能成為它的滑移面。當(dāng)螺型位錯在原滑移面運動受阻時,可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個滑移面上去,這樣的過程叫交叉滑移,簡稱交滑移。,35,PPT學(xué)習(xí)交流,螺型位錯的滑移,36,PPT學(xué)習(xí)交流,2.位錯的攀移刃型位錯還可以在垂直滑移面的方向上運動即發(fā)生攀移。攀移的實質(zhì)是多余半原子面的伸長或縮短。,刃型位錯的攀移(a)正攀移(b)原始位置(c)負(fù)攀移,37,PPT學(xué)習(xí)交流,討論和練習(xí)1.位錯的滑移特征,38,PPT學(xué)習(xí)交流,(1)可以通過柏氏矢量和位錯線的關(guān)系來判斷位錯特征。bt時為刃型位錯,bt為螺型位錯,對于混合型位錯,b和t的角度在0和90。(2)位錯的滑移面包含柏氏矢量和位錯線。(
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