晶体缺陷-位错的运动与弹性性质

第 三 章 晶 体 缺 陷 引 言 晶 体 缺 陷 概 述 及 类 型第 一 节 点 缺 陷第 二 节 位 错 -线 缺 陷第 三 节 表 面 及 界 面 第 二 节 位 错2.1、 位 错 的 基 本 类 型 和 特 征2.2、 位 错 的 运 动 与 弹 性 性 质2.3、 实 际 晶 体 中 的 位 错 2.2、 位 错 的 运 动 与 弹 性 性 质一 、 位 错 运 动 的 方 式二 、 位 错 运 动 的 交 割 三 、 位 错 的 弹 性 性 质四 、 位 错 与 其 他 缺 陷 的 交 互 作 用 位 错 在 晶 体 中 运 动 有 两 种 方 式 ： 滑 移 和 攀移 ， 其 中 滑 移 最 为 重 要 。一 、 位 错 运 动 的 方 式 攀 移滑 移 图 刃 型 位 错 与 螺 型 位 错 的 滑 移1、 位 错 的 滑 移 图 螺 型 位 错 滑 移 导 致 晶 体 塑 性 变 形 的 过 程图 刃 型 位 错 滑 移 导 致 晶 体 塑 性 变 形 的 过 程 位 错 的 滑 移 是 在 切 应 力 作 用 下 进 行 的 ， 只 有当 滑 移 面 上 的 切 应 力 分 量 达 到 一 定 值 后 位 错 才 能滑 移 。类 型 柏 氏 向 量 位 错 线运 动 方 向 晶 体滑 移 方 向 切 应 力方 向 滑 移 面个 数 刃 型 位 错 于 位 错 线 于 位 错线 本 身 与 b一 致 与 b一 致 唯 一螺 型 位 错 于 位 错 线 于 位 错线 本 身 与 b一 致 与 b一 致 多 个混 合 位 错 与 位 错 线 成一 定 角 度 于 位 错线 本 身 与 b一 致 与 b一 致 螺 位 错 的 交 滑 移 由 于 混 合 位 错 可 以 分 解 为 刃 型 和 螺 型 两 部 分 ， 因 此 ，混 合 位 错 在 切 应 力 作 用 下 ， 也 是 沿 其 各 线 段 的 法 线 方 向 滑 移 ，并 同 样 可 使 晶 体 产 生 与 其 柏 氏 矢 量 相 等 的 滑 移 量 。 （ a） 位 错 环 （ b） 位 错 环 运 动 后 产 生 的 滑 移图 位 错 环 的 滑 移 2、 位 错 的 攀 移（ 1） 攀 移 的 概 念 与 本 质 攀 移 的 本 质 是 刃 型 位 错 的 半 原 子 面 向 上 或 向 下 移 动 ，于 是 位 错 线 就 跟 着 向 上 或 是 向 下 运 动 ， 因 此 攀 移 时 位 错 线的 运 动 方 向 正 好 与 柏 氏 矢 量 垂 直 。 只 有 刃 型 位 错 才 能 发 生 攀 移 运 动 ， 螺 型 位 错 是 不 会 攀移 的 。（ 2） 攀 移 的 分 类 及 割 阶 概 念 通 常 把 半 原 子 面 向 上 移 动 称 为 正 攀 移 ， 半 原 子 面 向 下运 动 称 为 负 攀 移 。 割 阶 指 攀 移 时 位 错 线 上 的 台 阶 。 图 刃 位 错 攀 移 示 意 图（ a） 正 攀 移 （ 半 原子 面 缩 短 ） (b)未 攀 移 （ c） 负 攀 移（ 半 原 子 面 伸 长 ） （ 3） 影 响 位 错 攀 移 的 因 素 温 度 攀 移 是 通 过 原 子 的 扩 散 而 实 现 的 （ 而 滑 移 不 涉 及 原子 的 扩 散 ） ； 由 于 空 位 的 数 量 及 其 运 动 速 率 对 温 度 十 分敏 感 ， 因 此 位 错 攀 移 是 一 个 热 激 活 过 程 。 应 力 外 加 应 力 对 位 错 有 促 进 作 用 ， 但 切 应 力 是 无 效 的 ，只 有 正 应 力 才 会 协 助 位 错 实 现 攀 移 ； 压 应 力 有 助 于 正 攀移 ， 拉 应 力 有 助 于 负 攀 移 。 二 、 位 错 运 动 的 交 割1、 位 错 交 割 的 含 义 对 于 在 滑 移 面 上 运 动 的 位 错 来 说 ， 穿 过 此滑 移 面 的 其 它 位 错 称 为 林 位 错 。 林 位 错 会 阻 碍 位 错 的 运 动 ， 但 是 若 应 力 足够 大 ， 滑 动 的 位 错 将 切 过 林 位 错 继 续 前 进 。 位 错 互 相 切 割 的 过 程 称 为 位 错 交 割 或 位 错 交截 。 2、 割 阶 与 扭 折 两 个 位 错 交 割 时 ， 每 个 位 错 上 都 要 产 生 一 个 新 的 小 段位 错 。 当 交 割 产 生 的 小 段 位 错 不 在 所 属 位 错 的 滑 移 面 上 时 ，则 成 为 位 错 割 阶 ； 如 果 小 段 位 错 位 于 所 属 位 错 的 滑 移 面 上 ，则 成 为 位 错 扭 折 。 刃 型 位 错 的 割 阶 部 分 仍 为 刃 型 位 错 ， 扭 折 部 分 为 螺 型位 错 。 螺 型 位 错 的 割 阶 与 扭 折 均 为 刃 型 位 错 。 扭 折 与 原 位 错 线 在 同 一 滑 移 面 上 ， 可 随 主 位 错 线 一 道运 动 ， 几 乎 不 产 生 阻 力 ； 扭 折 在 线 张 力 作 用 下 易 消 失 。 割 阶 与 原 位 错 线 不 在 同 一 滑 移 面 上 ， 除 攀 移 外 不 能 随主 位 错 线 一 道 运 动 ， 成 为 位 错 运 动 的 障 碍 ， 称 割 阶 硬 化 。 两 根 互 相 垂 直 的 刃 型 位 错 的 交 割 （ 柏 氏 矢 量 互 相 垂 直 ） 3、 几 种 典 型 的 位 错 交 割 (1) 两 个 柏 氏 矢 量 互 相 垂 直 的 刃 型 位 错 交 割 图 两 个 柏 氏 矢 量 互 相 垂 直 刃 型 位 错 交 割 位 错 割 阶刃 型 位 错 (2) 两 个 柏 氏 矢 量 互 相 平 行 的 刃 型 位 错 交 割 图 两 个 柏 氏 矢 量 互 相 平 行 刃 型 位 错 交 割 位 错 扭 折螺 型 位 错位 错 扭 折螺 型 位 错 (3) 刃 型 位 错 与 螺 型 位 错 的 交 割 图 刃 型 位 错 与 螺 型 位 错 的 交 割 位 错 割 阶刃 型 位 错位 错 扭 折刃 型 位 错 (4) 螺 型 位 错 与 螺 型 位 错 的 交 割 图 螺 型 位 错 与 螺 型 位 错 的 交 割 位 错 割 阶刃 型 位 错位 错 扭 折刃 型 位 错 三 、 位 错 的 弹 性 性 质1、 位 错 的 应 力 场 位 错 的 弹 性 性 质 是 位 错 理 论 的 核 心 与 基 础 ，它 探 讨 的 是 位 错 在 晶 体 中 引 起 的 畸 变 的 分 布 及其 能 量 变 化 。 位 错 在 晶 体 中 的 存 在 使 其 周 围 原 子 偏 离 平衡 位 置 而 导 致 点 阵 畸 变 和 弹 性 应 力 场 的 产 生 。 在 讨 论 位 错 的 弹 性 应 力 场 的 基 础 上 ， 可 推算 出 位 错 所 具 有 的 能 量 、 位 错 的 作 用 力 、 位 错与 晶 体 其 它 缺 陷 间 交 互 作 用 等 问 题 。 图 位 错 的 连 续 介 质 模 型（ a） 螺 位 错 （ b） 刃 位 错 （ 1） 螺 位 错 的 应 力 场 螺 型 位 错 周 围 只 有 一 个 切 应 变 ： z b/2r 相 应 的 各 应 力 分 量 分 别 为 用 直 角 坐 标 表 示 螺 位 错 的 应 力 场 的 特 点 ： 只 有 切 应 力 分 量 ， 正 应 力 分 量 全 为 零 ， 这 表 明螺 型 位 错 不 引 起 晶 体 的 膨 胀 和 收 缩 。 螺 型 位 错 所 产 生 的 切 应 力 分 量 只 与 r有 关 （ 成反 比 ） ， 而 与 ， z 无 关 。 只 要 r一 定 ， z就 为常 数 。 因 此 ， 螺 型 位 错 的 应 场 是 轴 对 称 的 ， 即 与 位错 等 距 离 的 各 处 ， 其 切 应 力 值 相 等 ， 并 随 着 与 位 错距 离 的 增 大 ， 应 力 值 减 小 。 r 0时 ， z ， 显 然 与 实 际 情 况 不 符 ， 这说 明 上 述 结 果 不 适 用 位 错 中 心 的 严 重 畸 变 区 。 （ 2） 刃 位 错 的 应 力 场 图 刃 位 错 周 围 的 应 力 场 刃 位 错 的 应 力 场 的 特 点 ： 同 时 存 在 正 应 力 分 量 与 切 应 力 分 量 ， 而 且 各 应 力 分量 的 大 小 与 G 和 b成 正 比 ， 与 r成 反 比 。 各 应 力 分 量 都 是 ， 的 函 数 ， 而 与 无 关 。 这 表明 在 平 行 与 位 错 的 直 线 上 ， 任 一 点 的 应 力 均 相 同 。 在 滑 移 面 上 ， 没 有 正 应 力 ， 只 有 切 应 力 ， 而 且 切 应力 xy 达 到 极 大 值 。 正 刃 型 位 错 的 位 错 滑 移 面 上 侧 为 压 应 力 ， 滑 移 面 下侧 为 拉 应 力 。 x y时 ， yy， xy均 为 零 ， 说 明 在 直 角 坐 标 的 两条 对 角 线 处 ， 只 有 xx。 2、 位 错 的 应 变 能（ 1） 位 错 能 的 概 念 位 错 线 周 围 的 原 子 偏 离 了 平 衡 位 置 ， 处 于 较 高 的 能 量 状 态 ，高 出 的 能 量 称 为 位 错 的 应 变 能 ， 简 称 位 错 能 。 （ 2） 位 错 是 不 平 衡 的 缺 陷 ， 且 具 有 尽 量 变 直 缩 短 的 趋 势 （ 3） 位 错 能 的 计 算 公 式 （ 单 位 位 错 线 的 位 错 能 ）其 中 的 值 可 以 取 0.5-1.0，螺 型 位 错 取 下 限 0.5，刃 型 位 错 取 上 限 1.0。 2GbE 位 错 的 总 能 量 与 位 错 线 的 长 度 成 正 比 ， 因 此 为 降 低 能 量 ，位 错 线 有 缩 短 变 直 的 倾 向 。 故 在 位 错 线 上 存 在 一 种 使 其 变直 的 线 张 力 。 这 个 线 张 力 在 数 值 上 等 于 位 错 应 变 能 。rGbGbT drdds dTdsb 2 )5.0(2 22sin 2sin2 2 弯 曲 位 错图 位 错 的 线 张 力 3、 位 错 的 线 张 力 保 持 位 错 线 弯 曲 所 需 的 切 应 力 与 曲 率 半 径 成 反 比 。 4、 作 用 在 位 错 上 的 力刃 型 位 错 的 切 应 力 方 向 垂 直 与 位 错 线 ；螺 型 位 错 的 切 应 力 方 向 平 行 于 位 错 线 ；使 位 错 攀 移 的 力 为 正 应 力 。 bF 位 错 滑 移 时 的 力位 错 攀 移 时 的 力 bF 力 的 方 向 与 位 错 线 运 动 方 向 一 致 ， 垂 直 于 位 错 线 方 向 。 四 、 位 错 与 其 他 缺 陷 的 交 互 作 用1、 位 错 与 点 缺 陷 的 交 互 作 用 （ 1） 柯 氏 气 团 ： 通 常 把 溶 质 原 子 与 位 错 交 互 作 用 后 ，在 位 错 周 围 偏 聚 的 现 象 成 为 柯 氏 气 团 ； 气 团 的 形 成 对 位 错有 钉 扎 作 用 ， 是 固 溶 强 化 的 原 因 之 一 ； 当 溶 质 原 子 分 布 在位 错 周 围 时 使 位 错 的 应 变 能 下 降 ， 这 样 位 错 的 稳 定 性 增 加了 ， 位 错 由 易 动 变 得 不 容 易 移 动 ， 使 晶 体 的 塑 性 变 形 抗 力（ 屈 服 强 度 ） 提 高 。 （ 2） 空 位 与 位 错 也 会 发 生 交 互 作 用 ， 其 结 果 是 使 位 错发 生 攀 移 ， 这 一 交 互 作 用 在 高 温 下 显 得 十 分 重 要 ， 因 为 空位 浓 度 是 随 温 度 升 高 呈 指 数 关 系 上 升 的 。 2、 位 错 与 其 它 位 错 的 交 互 作 用 （ 1） 位 错 的 应 力 场 对 其 他 位 错 也 产 生 一 个 作用 力 ， 使 位 错 发 生 运 动 ， 以 降 低 体 系 的 自 由 能 。 （ 2） 同 一 滑 移 面 上 两 根 平 行 刃 型 位 错 的 互 相作 用 也 与 螺 型 位 错 一 样 ， 同 号 位 错 互 相 排 斥 ， 异号 位 错 互 相 吸 引 。 （ 3） 位 错 墙 。 一 系 列 同 号 位 错 在 垂 直 于 滑 移面 的 方 向 排 列 起 来 ， 上 方 位 错 的 拉 应 力 场 与 下 方位 错 的 压 应 力 场 相 重 叠 而 部 分 抵 消 。 本 节 重 点 与 难 点1、 位 错 的 运 动 滑 移 与 攀 移 ；2、 位 错 运 动 的 交 割 ；3、 位 错 的 割 阶 与 扭 折 ；4、 位 错 与 点 缺 陷 、 其 它 位 错 的 作 用 ；5、 位 错 的 应 力 场 、 应 变 能 、 线 张 力 、 作 用 在位 错 上 的 力 。