物理冶金原理课件4-位错理论

物理冶金原理物理冶金原理主要研究内容主要研究内容金属材料的原子排列与结构金属材料的原子排列与结构(晶体结构、晶体结构、晶体缺陷、晶体缺陷、显微组织显微组织等等)金属材料主要制备成形工艺的基本原理金属材料主要制备成形工艺的基本原理(相图与凝固相图与凝固、固态相变、固态相变、塑性变形塑性变形等等)金属材料金属材料组织结构、性能及其与制备、组织结构、性能及其与制备、成形过程之间关系与控制成形过程之间关系与控制的基本理论。的基本理论。物理冶金原理物理冶金原理研究对象研究对象:Atomic Arrangements:Atomic Arrangements:-Crystal StructureCrystal Structure and and DefectsDefects of Metals and Alloy Phasesof Metals and Alloy Phases-Phase Constitutions of AlloysPhase Constitutions of Alloys-Microstructure of Metals and AlloysMicrostructure of Metals and Alloys-etc etcFundamentals of Metals Processing:Fundamentals of Metals Processing:-SolidificationSolidification(Casting,Welding,etc)(Casting,Welding,etc)-Solid-State Phase Transformation-Solid-State Phase Transformation-Plastic DeformationPlastic Deformation(hot and cold working,(hot and cold working,forging,rolling,Mechanical Behaviorsforging,rolling,Mechanical Behaviors，etc)etc)Properties:Properties:-Mechanical-Mechanical-Functional-FunctionalNew MaterialsProcessing Innovations晶体缺陷晶体缺陷Crystal Defects or Imperfections理想晶体理想晶体 Ideal or Perfect Crystals实际晶体实际晶体的不的不完美完美性或性或“缺陷缺陷”Imperfections or Defects in Real Crystals 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类Classifications of Crystal Defects or Imperfections点缺陷点缺陷 Point Defects:线缺陷线缺陷 Line Defects:面缺陷面缺陷 Plane Defects:点缺陷点缺陷 Point Defects1、空位空位 Vacancies2、间隙原子间隙原子 Interstitials：3、置换式原子置换式原子 Substitutionals 空位空位空位空位 间隙原子间隙原子间隙原子间隙原子 置换式（溶质）原子置换式（溶质）原子置换式（溶质）原子置换式（溶质）原子一、空位一、空位 Vacancies 一种一种热力学稳定的晶体缺陷热力学稳定的晶体缺陷晶体晶体晶体晶体热力学热力学热力学热力学：NN个晶格结点、个晶格结点、个晶格结点、个晶格结点、n n个空位，空位浓度个空位，空位浓度个空位，空位浓度个空位，空位浓度Cv=n/NCv=n/N D DG=nUv-T(nD DSv+D DSc)空位空位空位空位:系统自由能增加系统自由能增加系统自由能增加系统自由能增加nUvnUv（UvUv：空位形成自由能：空位形成自由能：空位形成自由能：空位形成自由能）空位空位空位空位:组态熵组态熵组态熵组态熵D DSc及及及及振动熵振动熵振动熵振动熵D DSv增加增加增加增加系统自由能降低系统自由能降低系统自由能降低系统自由能降低晶体的自由能晶体的自由能 D DG=nUv-T(nD DSv+D DSc)组态熵组态熵：Configurational EntropyConfigurational Entropy D DSc=k.ln(N!/n!N-n!)振动熵振动熵：Vibrational EntropyVibrational Entropy D DSv=3k.ln(n n/n n)温度温度T时晶体中的时晶体中的平衡平衡空位浓度空位浓度 D DG=nUv-T(nD DSv+D DSc)Cv=n/N=A.exp(-Uv/kT)Sv Sv=3k.ln3k.ln(n n n n/n n n n)Sc Sc=k.lnk.ln(NN!/!/n n!N-N-n n!)!)Cu晶体中不同温度的晶体中不同温度的平衡平衡空位浓度空位浓度空位对合金组织及性能控制的重要性空位对合金组织及性能控制的重要性物理及电子学性质物理及电子学性质（密度、电学、电子学性能）（密度、电学、电子学性能）（密度、电学、电子学性能）（密度、电学、电子学性能）原子扩散的基本（最重要）方式原子扩散的基本（最重要）方式 对合金固态相变过程对合金固态相变过程对合金固态相变过程对合金固态相变过程(形核、长大；时效形核、长大；时效形核、长大；时效形核、长大；时效)及固态相变组织及固态相变组织及固态相变组织及固态相变组织具有决定性影响；具有决定性影响；具有决定性影响；具有决定性影响；对合金扩散控制的热加工工艺对合金扩散控制的热加工工艺对合金扩散控制的热加工工艺对合金扩散控制的热加工工艺(如渗金属、烧结等如渗金属、烧结等如渗金属、烧结等如渗金属、烧结等)组织具组织具组织具组织具有决定性影响；有决定性影响；有决定性影响；有决定性影响；对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强对合金力学性能特别是高温力学性能具有决定性影响（强度、塑性、耐蚀、氧化）度、塑性、耐蚀、氧化）度、塑性、耐蚀、氧化）度、塑性、耐蚀、氧化）获得非平衡空位获得非平衡空位(过饱和空位过饱和空位)的方法的方法高温淬火高温淬火(Quenching)：通过极端手段把通过极端手段把高温下的平衡空位快速高温下的平衡空位快速“冷冻冷冻”固定到室温固定到室温 快速凝固；固溶处理：快速凝固；固溶处理：过饱和固溶体（固溶强化）、过饱和固溶体（固溶强化）、过饱和固溶体（固溶强化）、过饱和固溶体（固溶强化）、过饱和空位过饱和空位过饱和空位过饱和空位（固溶后时效热处理工艺要求的原因）（固溶后时效热处理工艺要求的原因）（固溶后时效热处理工艺要求的原因）（固溶后时效热处理工艺要求的原因）！强烈塑性变形强烈塑性变形:表面喷丸强化表面纳米化表面喷丸强化表面纳米化表面喷丸强化表面纳米化表面喷丸强化表面纳米化 高能粒子辐照高能粒子辐照：中子辐照等：中子辐照等(同时产生同时产生自间隙原子），材料性能严重脆化！自间隙原子），材料性能严重脆化！Nitriding Iron at Lower Temperatures W.P.Tong,N.R.Tao,Z.B.Wang,J.Lu,W.P.Tong,N.R.Tao,Z.B.Wang,J.Lu,K.Lu*K.Lu*Science 299(2003)5607,686-688299(2003)5607,686-688.20042004年中国十大科技新闻（位列第二）年中国十大科技新闻（位列第二）年中国十大科技新闻（位列第二）年中国十大科技新闻（位列第二）Microstructure in the surface layer of a pure iron plate was Microstructure in the surface layer of a pure iron plate was refined at the nanometer scale by a surface mechanical refined at the nanometer scale by a surface mechanical attrition treatment that generates repetitive attrition treatment that generates repetitive severe plastic severe plastic deformationdeformation of the surface layer.of the surface layer.The subsequent The subsequent nitriding kinetics were greatly enhanced,so that the nitriding kinetics were greatly enhanced,so that the nitriding temperature could be as low as 300Cnitriding temperature could be as low as 300C,which,which is much lower than conventional nitriding temperatures is much lower than conventional nitriding temperatures(above 500C).This enhanced processing method(above 500C).This enhanced processing method demonstrates the technological significance of nanomaterials demonstrates the technological significance of nanomaterials in improving traditional processing techniques.in improving traditional processing techniques.二、间隙原子二、间隙原子 Interstitial Atoms 热力学不稳定的晶体缺陷热力学不稳定的晶体缺陷自间隙原子自间隙原子(Self-Interstitials)：除经高能粒子辐照除经高能粒子辐照外外(如核装备零件，同时产生如核装备零件，同时产生空位空位空位群空位群空洞：空洞：缺陷缺陷)、一般不存在一般不存在溶质间隙原子溶质间隙原子(Solute Interstitials)：C、N、B、O、H等，固溶强化效果极强！等，固溶强化效果极强！固溶强化固溶强化（Solid Solution Hardening or Strengthening）Interstitial Atoms in Solid Solution三、置换式原子三、置换式原子（溶质、杂质）（溶质、杂质）Substitutional Solute AtomsSubstitutional Atoms in Solid Solutionsin Solid Solutions影响金属固熔体固溶强化的因素影响金属固熔体固溶强化的因素Main controlling factors for Solid Solution Hardening or Strengthening of Metals1、固溶体类型、固溶体类型2、原子尺寸差、原子尺寸差3、晶体结构、晶体结构4、电化学性质、电化学性质5、元素固溶度、元素固溶度合金元素对合金元素对金属铜屈服金属铜屈服强度的影响强度的影响线缺陷位错线缺陷位错Line Defects：Dislocations位错理论及金属的强化方法位错理论及金属的强化方法Dislocation Theoryand Strengthening Methods for Metals 1、晶体的理论强度（理想晶体晶体的理论强度（理想晶体的强度）的强度）与位错概念的提出与位错概念的提出 理想晶体的理想晶体的理想晶体的理想晶体的刚性滑移刚性滑移刚性滑移刚性滑移塑性变形与塑性变形与塑性变形与塑性变形与理想晶体的强度理想晶体的强度理想晶体的强度理想晶体的强度（晶体的理论强度）（晶体的理论强度）（晶体的理论强度）（晶体的理论强度）：Rigid Glide and and Theoretical Strength of a Theoretical Strength of a Perfect Metal CrystalPerfect Metal Crystal Slip Lines and Slip Steps on Single Crystal Surface Rigid Glide of a Crystalxbat t =t tthth sin(2p px/b)t t=g g.G=(x/a)G晶体的理论强度晶体的理论强度 t tthth=G/2p p.(b/a)晶体理论强度晶体理论强度(tththG/2pp)与实与实际强度之间的巨大差异际强度之间的巨大差异（相差34个数量级！）位错概念的提出：位错概念的提出：实际晶体的塑性变形不是刚性滑移实际晶体的塑性变形不是刚性滑移实际晶体的塑性变形不是刚性滑移实际晶体的塑性变形不是刚性滑移，晶体内部，晶体内部，晶体内部，晶体内部局部区域局部区域局部区域局部区域可能存在缺陷可能存在缺陷可能存在缺陷可能存在缺陷 在很低切应力下缺陷附近的局部原子即在很低切应力下缺陷附近的局部原子即在很低切应力下缺陷附近的局部原子即在很低切应力下缺陷附近的局部原子即可协调移动并逐步前进可协调移动并逐步前进可协调移动并逐步前进可协调移动并逐步前进 通过通过通过通过局部原子的协调运动或局部原子的协调运动或局部原子的协调运动或局部原子的协调运动或局局局局部滑动导致晶体整体塑性变形：部滑动导致晶体整体塑性变形：部滑动导致晶体整体塑性变形：部滑动导致晶体整体塑性变形：波的传播；蛇的爬行！波的传播；蛇的爬行！波的传播；蛇的爬行！波的传播；蛇的爬行！在晶体中相对滑移量不同在晶体中相对滑移量不同区域区域 “边界边界”（变（变形与未变形区的边界）形与未变形区的边界）附近的原子必然错排！附近的原子必然错排！Atoms near the boundaries must be Dislocated！Dislocations位错位错2、位错的基本性质：边界、位错的基本性质：边界1）宏观上属）宏观上属“线性线性”缺陷；缺陷；2）在晶体内部呈）在晶体内部呈自封闭曲线自封闭曲线或或终止于晶体表面或晶界终止于晶体表面或晶界；3）恒定的滑移矢量）恒定的滑移矢量位错的滑移矢量柏氏矢量位错的滑移矢量柏氏矢量 Burgers Vector：大小：大小：位错滑移量的大小位错滑移量的大小方向：方向：位错滑移方向位错滑移方向守恒性守恒性:一条位错线，无论其形状如一条位错线，无论其形状如何，其柏氏矢量唯一、恒定！何，其柏氏矢量唯一、恒定！位错柏氏矢量的位错柏氏矢量的守恒性守恒性3、位错的基本类型及其、位错的基本类型及其基本特征与运动特点基本特征与运动特点1）刃型位错刃型位错（刃位错（刃位错 Edge Dislocation）2）螺型位错螺型位错（螺位错（螺位错 Screw Dislocation）3）混合位错混合位错（Mixed Dislocation）刃型位错模型刃型位错模型Formation of an Edge Dislocation刃型位错的原子模型刃型位错的原子模型Atomic Model of an Edge Dislocation刃位错的基本特征：刃位错的基本特征：柏氏矢量与位错线垂直柏氏矢量与位错线垂直l滑移面唯一滑移面唯一 b x linel运动运动 滑移滑移(glide)攀移攀移(climb)l形状：形状：直线、平面曲线直线、平面曲线 平面折线、环状平面折线、环状刃位错的形状刃位错的形状:直线直线平面折线平面折线任何平面曲线任何平面曲线l滑移面 Slip Plane刃位错攀移的条件：刃位错攀移的条件：需要原子（空位）的长程扩散需要原子（空位）的长程扩散l正攀移（Positive climb）：半原子面缩小l副攀移（Negative Climb）：半原子面增大Signs of Edge Dislocation确定刃位错的正负的法则右手法则确定刃位错的正负的法则右手法则Glide Mobility of an Edge Dislocation刃位错滑移的易动性刃位错滑移的易动性Glide of an Edge Dislocation刃位错的滑移过程刃位错的滑移过程位错割阶位错割阶Jogs on Dislocation平面折线刃位错（割阶）平面折线刃位错（割阶）Jogs on a Dislocation刃位错环刃位错环Edge Dislocation Loop刃位错环刃位错环Edge Dislocation Loop位错扭折位错扭折Kinks on Dislocation2)螺型螺型位错的物理模型位错的物理模型 b螺位错的物理模型螺位错的物理模型 l l Dislocation Line螺位错的正负号：左旋与右旋螺位错的正负号：左旋与右旋螺位错的基本特征：螺位错的基本特征：柏氏矢量与位错线平行柏氏矢量与位错线平行！（纯螺位错只能是直线纯螺位错只能是直线）l滑移面不固定滑移面不固定：uvw晶带晶带内的全部晶面内的全部晶面l易发生交滑移易发生交滑移(cross-slip)l不能攀移不能攀移螺位错uvw的交滑移交滑移Cross-Slip of a Screw Dislocation uvwbbbbuvw螺位错uvw的双交滑移双交滑移Double Cross-Slip of a Screw Dislocation uvwbbbbb螺位错的交滑移与双交滑移交滑移与双交滑移Cross SLip and Double Cross-Slip of a Screw Dislocationuvw晶带晶带晶带晶带晶带轴晶带轴 uvw晶面晶面 (hkl)晶带定理：晶带定理：hu+kv+lw=0uvw(hkl)位错扭折位错扭折Kink on a Screw Dislocation3）混合位错混合位错Mixed Dislocation混合位错混合位错Mixed Dislocation确定位错正负号的法则确定位错正负号的法则：先任意确定位错线的方向：刃位错先任意确定位错线的方向：刃位错先任意确定位错线的方向：刃位错先任意确定位错线的方向：刃位错右手定则右手定则右手定则右手定则 螺位错螺位错螺位错螺位错看是否同向看是否同向看是否同向看是否同向位错环的运动位错环的运动：不断扩大、移出晶体不断扩大、移出晶体 位错的弹性理论位错的弹性理论 Elasticity Theory of Dislocations位错的位错的应力场应力场位错的位错的应变能应变能位错的位错的线张力线张力位错间的交互作用位错间的交互作用 连续介质弹性力学连续介质弹性力学各向同性各向同性连续介质连续介质弹性变形虎克定律弹性变形虎克定律复杂应力条件下的应力、应变表复杂应力条件下的应力、应变表示方法：示方法：应力单元与应变单元应力单元与应变单元六六个个独独立立应应力力分分量量五五个个独独立立应应变变分分量量1、位错的连续介质模型位错的连续介质模型与位错的应力场与位错的应力场挖去位错中心区晶格非弹性变挖去位错中心区晶格非弹性变形区域形区域位错中心区外为弹性变形状态位错中心区外为弹性变形状态求应变场求应变场虎克定律求应力场虎克定律求应力场位错的连续介质模型位错的连续介质模型应变场应变场应变场应变场：g gq qz=b/2p pr应力场应力场应力场应力场：t tq qz=G.g gq qz =(Gb)/2p prb2p prb应力场：应力场：应力场：应力场：t tq qz=G.g gq qz =(Gb)/2p pr纯切应力场纯切应力场!应力场应力场轴向对称轴向对称！无正应力分量无正应力分量！b螺位错的应力场特点螺位错的应力场特点:刃位错的应力场刃位错的应力场：刃位错的应力场特点：很复杂！刃位错的应力场特点：很复杂！正应力正应力正应力正应力：y=0,y=0,s s s sxxxx=s s s syyyy=0;=0;y0,y0,s s s sxxxx00压应力压应力压应力压应力；y0,y0 0 拉应力拉应力拉应力拉应力；切应力切应力切应力切应力：当当当当X=0X=0及及及及x=yx=y时时时时:切应力为零；切应力为零；切应力为零；切应力为零；当当当当y=0y=0时时时时:切应力最大切应力最大切应力最大切应力最大2、位错的弹性应变能位错的弹性应变能Elastic Strain Energy of a Dislocation E=Ecore+Eelastic 位错中心区应变能约占位错中心区应变能约占1020 E Eelastic位错的弹性应变能位错的弹性应变能！Elastic Strain Energyl单向拉伸单向拉伸：Ee=(se)/2=(Ee2)/2l简单剪切简单剪切：Ee=(tg)/2=(Gg2)/2 ssLDL正应变正应变 e=D DL/LLb切应变切应变 g g=b/L螺位错的弹性应变能螺位错的弹性应变能Elastic Strain Energy of Screw DislocationsElastic Strain Energy of Screw Dislocations螺位错的弹性应变能螺位错的弹性应变能Elastic Strain Energy of Screw DislocationsElastic Strain Energy of Screw Dislocations螺位错的弹性应变能螺位错的弹性应变能Elastic Strain Energy of Screw DislocationsElastic Strain Energy of Screw DislocationsEscrew=(Gb2/4p)ln(R/ro)刃位错的弹性应变能刃位错的弹性应变能Elastic Strain Energy of a Edge DislocationsEscrew=(Gb2/4p)ln(R/ro)Eedge=Gb2/4p(1-n n)ln(R/ro)刃位错的弹性应变能刃位错的弹性应变能Elastic Strain Energy of a Edge DislocationsEscrew=(Gb2/4p)ln(R/ro)Eedge=Gb2/4p(1-n n)ln(R/ro)混合位错混合位错的弹性应变能的弹性应变能Elastic Strain Energy of a Mixed DislocationEEscrew Eedge G(b.cosa)2/4p ln(R/ro)G(b.sina)2/4p(1-n n)ln(R/ro)位错的线张力位错的线张力Line Tension of DislocationsLine Tension of DislocationsT=Escrew Gb2/2 或 Gb2 使位错线保持弯曲（曲率半径使位错线保持弯曲（曲率半径使位错线保持弯曲（曲率半径使位错线保持弯曲（曲率半径R R R R），必须施加的外力），必须施加的外力），必须施加的外力），必须施加的外力t位错的线张力位错的线张力 TGb2/2Line Tension of DislocationsLine Tension of Dislocationst t =Gb2/2R2T.(dq/2)t.R.dq t=T/R=Gb2/2Rt tForce upon a Dislocation in an External Stress FieldForce upon a Dislocation in an External Stress Field位错线在外力场中的受力位错线在外力场中的受力 f=t t bW=(t t dsdl)b=(ds f)dl f=t t b性质性质：想象力：想象力大小大小：f=t t b方向方向：法线指向位错运动方向：法线指向位错运动方向 fdsdlt tInteractions between Dislocations位错之间的相互作用位错之间的相互作用驱动力：驱动力：降低弹性应变能！降低弹性应变能！机机 制：制：可看作是一个位错可看作是一个位错其它位错应力场中的受力其它位错应力场中的受力两同号平行螺位错间的交互作用两同号平行螺位错间的交互作用：Interaction between two Parallel Screw Dislocationsrb1b2f=b2Gb1/(2p pr)f位错位错b b1 1 1 1的应力场的应力场：t=Gb1/(2pr)位错位错b b2 2 2 2在应力场在应力场t t中的受力中的受力即为两位错两位错之间的相互作用力之间的相互作用力：f=b2Gb1/(2pr)两平行同号螺位错间的交互作用：两平行同号螺位错间的交互作用：F=b2Gb1/(2pr)0 同号位错相互排斥！同号位错相互排斥！rb1b2Frb1b2f=-b2b1/(2pr)f两平行异号螺位错间的交互作用：两平行异号螺位错间的交互作用：F=-b2Gb1/(2pr)异号位错相互吸引并最终相互抵消异号位错相互吸引并最终相互抵消！平行刃位错之间的相互作用平行刃位错之间的相互作用平行刃位错之间的相互作用平行刃位错之间的相互作用x=0 Fx=0;x=y Fx=0平行刃位错之间的交互作用平行刃位错之间的交互作用与位错墙与位错墙（小角度晶界）（小角度晶界）Dislocation WallDislocation Wall （Small Angle Grain BoundarySmall Angle Grain Boundary）回复组织：在变形晶粒内部形成回复组织：在变形晶粒内部形成由位错墙组成的小角度晶界、获由位错墙组成的小角度晶界、获得亚晶（得亚晶（Subgrains）组织）组织小角度晶界（位错墙）小角度晶界（位错墙）HREM像像位错的交割、位错的交割、位错源与位位错源与位错的增殖错的增殖Intersections of Moving Dislocations Dislocation Sources and Multiplication of Dislocations位错扭折位错扭折Kinks on Dislocation位错割阶位错割阶Jogs on Dislocation柏氏矢量互相垂直的刃位错柏氏矢量互相垂直的刃位错交割后形成交割后形成割阶割阶滑移面b1柏氏矢量相互平行的刃位错交柏氏矢量相互平行的刃位错交割后形成扭折（螺位错）割后形成扭折（螺位错）螺位错与刃位错交割形成螺位错与刃位错交割形成割阶割阶螺位错之间交割形成割阶螺位错之间交割形成割阶割阶强烈阻碍位错的运动割阶强烈阻碍位错的运动！带割阶位错的运动：需要大带割阶位错的运动：需要大量原子的扩散（空位的运动）！量原子的扩散（空位的运动）！位错源位错源与与位错的增殖位错的增殖Dislocation Sources and Multiplication of DislocationsFrank-Read SourcebFrank-Read SourceFrank-Read Dislocation Source in Si Crystal单边单边FR位错源位错源割阶割阶Jog螺位错双交滑移双交滑移产生产生F-R位错源位错源F-R Dislocation Source by Double Cross-Slip of a Screw Dislocation实际晶体实际晶体(FCC)中的位错中的位错Dislocations in Real Crystals（FCC）全位错与分位错全位错与分位错Perfect Dislocations and Partial Dislocations全位错与分位错全位错与分位错Perfect Dislocations and Partial Dislocationsl l全位错全位错：滑移矢量等于密排面上密排方向原滑移矢量等于密排面上密排方向原子间距的位错子间距的位错:e.g.,(a/2)in FCC;(a/2)in BCC;(a/3),etc.l l分位错或不全位错分位错或不全位错：滑移矢量不等于密排面滑移矢量不等于密排面上密排方向原子间距的位错上密排方向原子间距的位错:e.g.,(a/6)and (a/3)in FCC,etc.分位错不可能单独存在，总与层错相连！分位错不可能单独存在，总与层错相连！FCC晶体中的全位错晶体中的全位错Perfect Dislocations in FCCb=(a/2)滑移方向滑移方向:;滑移大小滑移大小:BCCBCC晶体中的全位错晶体中的全位错晶体中的全位错晶体中的全位错-Perfect Dislocations in BCCPerfect Dislocations in BCC b=(a/2);b=(a/2);方向方向方向方向:;:;大小大小大小大小:分位错或不全位错或部分位错分位错或不全位错或部分位错Partial Dislocations分位错或不全位错分位错或不全位错：滑移矢量不等滑移矢量不等于密排面上密排方向原子间距的于密排面上密排方向原子间距的位错位错:e.g.,(a/6)and (a/3)in FCC,etc.分位错不可能单独存在，总与层分位错不可能单独存在，总与层错（错（Stacking Fault)相连！相连！Shockley分位错：可滑移位错分位错：可滑移位错l其柏氏矢量位于层错面内其柏氏矢量位于层错面内l平面曲线、混合位错平面曲线、混合位错l可滑移位错可滑移位错Stacking FaultShockley分位错的形成机制分位错的形成机制l全位错的分解反应全位错的分解反应l全位错之间的反应全位错之间的反应l分位错之间的反应分位错之间的反应Frank分位错分位错 纯刃位错柏氏矢量垂直于位错线，纯刃位错柏氏矢量垂直于位错线，纯刃位错滑移面为非密排面，不能滑移滑移面为非密排面，不能滑移只能攀移，是位错运动的主要障碍只能攀移，是位错运动的主要障碍Frank 分位错分位错Frank分位错的形成机制分位错的形成机制l空位群的崩塌：空位群的崩塌：Collapse of Vacancy Clusters or Vacancy Pairsl全位错的分解全位错的分解l全位错之间的反应全位错之间的反应l分位错之间的反应分位错之间的反应位错的反应位错的反应Reactions of Dislocations 位错反应的条件位错反应的条件b1+b2 b3+b4 l几何条件（必要条件）几何条件（必要条件）：矢量守恒：矢量守恒l能量条件（充分条件）能量条件（充分条件）：能量降低：能量降低 (bi2)反应物反应物(bi2)产物产物矢量守恒矢量守恒位错的分解与位错的分解与扩展位错扩展位错Decomposition of a Dislocation and Extended DislocationDecomposition of a Dislocation and Extended Dislocation扩展位错扩展位错与与层错能层错能 Extended Extended Dislocations and Stacking Fault EnergyDislocations and Stacking Fault Energy扩展位错扩展位错扩展位错扩展位错两两两两个个个个ShockleyShockley分位错夹一片层错的组态分位错夹一片层错的组态分位错夹一片层错的组态分位错夹一片层错的组态b1 1 b2 2+b3 3+SF扩展位错扩展位错扩展位错的宽度取决于扩展位错的宽度取决于层错能层错能的高低的高低 b1 1 b2 2+b3 3+SF扩展位错的束集扩展位错的束集与与交滑移交滑移Contraction of an Extended Dislocation and Cross-Slip层错能层错能越高越高扩展位错扩展位错宽度越窄宽度越窄越易束集越易束集越越易发生交滑移易发生交滑移变形容易、加工硬化弱变形容易、加工硬化弱！全位错与分位错全位错与分位错Perfect Dislocations and Partial DislocationsFCC晶体中的主要位错反应晶体中的主要位错反应Thompson四面体四面体Lomer位错锁位错锁 Lomer Dislocation LockSlip Plane(001)Sessile DislocationLomer-Cotrell Dislocation Lock A Supersessile Dislocation位错的起源位错的起源Origins of Dislocations 温度梯度热应力引起塑性变形温度梯度热应力引起塑性变形生长晶体生长晶体自重引起的塑性变形自重引起的塑性变形液体对流引起晶体塑性变形液体对流引起晶体塑性变形籽晶中位错的遗传籽晶中位错的遗传空位集团的崩塌空位集团的崩塌多相材料线膨胀系数的差别多相材料线膨胀系数的差别晶体表面微缺口应力集中晶体表面微缺口应力集中.位错的观察方法位错的观察方法Observations of Dislocations间接测量晶体的物性质变化（量热、间接测量晶体的物性质变化（量热、XRD）晶体生长表面形貌观察晶体生长表面形貌观察(Crystal Surface)：表面腐蚀（蚀坑法表面腐蚀（蚀坑法Etching Pits）：）：缀饰法（缀饰法（Decoration）:TEM、HRTEM：STM该实验结果的科学价值：该实验结果的科学价值：l晶体生长确实存在台阶机制晶体生长确实存在台阶机制l晶体中确实存在螺位错晶体中确实存在螺位错Growth Steps on a Laser Melting Rapidly Solidified TiC Dendrite in TiC/Ti CompositeFe2O3被被H还原纯铁晶体表面生长台阶还原纯铁晶体表面生长台阶Etch Pits on Crystal SurfaceEtch Pits on LiF2 2 Crystal SurfaceMovement of Etch-Pits in CuDislocation Network in AgBr Crystal by Decoration MethodFrank-Read Dislocation Source in Si CrystalTEM扩扩展展位位错错扩扩展展位位错错Dislocation Loops小角度晶界（位错墙）小角度晶界（位错墙）HREM像像大角度晶界大角度晶界HREM像像（CSL）金属材料的强化方法金属材料的强化方法Strengthening Methods for Metals提高金属材料强度的途径提高金属材料强度的途径(1)一、获得一、获得无位错无缺陷的理想晶体无位错无缺陷的理想晶体（晶体的理论强度）（晶体的理论强度）除尺寸很小的晶须外，迄今无法制备；除尺寸很小的晶须外，迄今无法制备；一旦屈服，几乎没有强度！一旦屈服，几乎没有强度！提高金属材料强度的途径提高金属材料强度的途径(2)二、获得二、获得完全均匀无序的完全均匀无序的非晶态合金非晶态合金：没有塑性、没有加工硬化！没有塑性、没有加工硬化！一旦屈服，几乎没有强度！一旦屈服，几乎没有强度！变形集中（绝热剪切）变形集中（绝热剪切）提高金属材料强度的途径提高金属材料强度的途径(3)三、三、通过控制各种制备加工工艺过程、在晶通过控制各种制备加工工艺过程、在晶体中引入尽可能高的各种晶体缺陷，体中引入尽可能高的各种晶体缺陷，尽最尽最大可能增加位错移动的阻力：大可能增加位错移动的阻力：固溶强化！固溶强化！加工硬化！加工硬化！晶界强化！晶界强化！粒子强化！粒子强化！固溶强化固溶强化Solid Solution Hardening机制：位错与溶质原子的交互作用：机制：位错与溶质原子的交互作用：溶质原子向位错偏聚，形成溶质气团溶质原子向位错偏聚，形成溶质气团(Solute Atmosphere)，降低位错的，降低位错的应变能（和系统能量），使位错难于应变能（和系统能量），使位错难于移动！移动！偏聚于刃位错线偏聚于刃位错线Cottrell 气团气团偏聚于扩展位错层错区偏聚于扩展位错层错区Suzuki气团气团偏聚于螺位错附近偏聚于螺位错附近Snoek气团气团Substitutionals InterstitialsCottrel气团气团Substitutionals InterstitialsCottrell气团气团加工硬化或应变强化加工硬化或应变强化Work Hardening or Strain Hardening机制：位错之间的交互作用机制：位错之间的交互作用位错增殖、位错密度急剧增加、位错位错增殖、位错密度急剧增加、位错难于移动难于移动位错交割形成大量割阶、钉扎位错位错交割形成大量割阶、钉扎位错位错交割形成位错网、钉扎位错位错交割形成位错网、钉扎位错位错反应形成位错反应形成Lomer或或CottrellLomer位错锁位错锁粒子强化粒子强化Particle-Strengthening弥散强化弥散强化 dispersion hardening沉淀强化沉淀强化 precipitation hardening沉淀强化沉淀强化：位错切割粒子：位错切割粒子Precipitation Strengthening:Particle-CuttingPrecipitation Strengthening:Particle-Cuttingl强化效果取决于粒子的本性！强化效果取决于粒子的本性！(界面共格错配度、界面能、弹性模量差、层错能差、有序度等）界面共格错配度、界面能、弹性模量差、层错能差、有序度等）弥散强化弥散强化：位错绕过粒子位错绕过粒子Dispersion HardeningDispersion Hardening：P Particle-bypassingarticle-bypassing强化效果只取决于粒子尺寸及粒子强化效果只取决于粒子尺寸及粒子间距！与粒子本性无关！间距！与粒子本性无关！t=Gb2/d位错的线张力位错的线张力 TGb2/2t=Gb2/2RDispersion StrengtheningParticle Size(d)Yield Strength(t)过饱和固溶体沉淀析出第二相粒子强化过饱和固溶体沉淀析出第二相粒子强化效果及强化机制与粒子尺寸的关系效果及强化机制与粒子尺寸的关系Strengthening Effect and Mechanisms by Precipitation Particles细晶强化或晶界强化细晶强化或晶界强化Grain Boundary Strengthening Hall-Petch关系关系 Hall-Petch Equation s s=s so+kd-(1/2)唯一同时提高唯一同时提高金属材料强度、金属材料强度、塑性与韧性的塑性与韧性的方法！方法！晶界前位错塞积群数目晶界前位错塞积群数目晶界前位错塞积群数目晶界前位错塞积群数目 n n (t-tt-tt-tt-to o o o)d)d/（bGbG）领先位错处的应力场领先位错处的应力场领先位错处的应力场领先位错处的应力场 t t t t(r)(r)n(n(t-tt-tt-tt-to o o o)=)=(t-tt-tt-tt-to o o o)2 2dd/（bGbG）在相邻晶粒位错源在相邻晶粒位错源在相邻晶粒位错源在相邻晶粒位错源S2S2处的分切应力处的分切应力处的分切应力处的分切应力t t t t(r)=f(r)(r)=f(r)t t t t(r)=f(r)(r)=f(r)(t-tt-tt-tt-to o o o)2 2d/(bG)d/(bG)当当当当t t t t(r)(r)t t t t*时，时，时，时，（t t t t*为位错源为位错源为位错源为位错源S S2 2开动的临界应力），开动的临界应力），开动的临界应力），开动的临界应力），S S2 2开动，相邻晶粒发生塑性开动，相邻晶粒发生塑性开动，相邻晶粒发生塑性开动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力t t t t即为该多晶材料的屈服应力即为该多晶材料的屈服应力即为该多晶材料的屈服应力即为该多晶材料的屈服应力t t t ts s f(r)(f(r)(t t t ts s-t-t-t-to o o o)2 2d/(bG)d/(bG)t t t t*t t t ts s=t t t to o o o+t t t t*f(r)bG*f(r)bG(-1/2)(-1/2)d d(-1/2)(-1/2)Hall-Petch公式：公式：t ts=t to o+kd(-1/2)S2S1晶界前位错塞积群数目晶界前位错塞积群数目 n (t-tt-to o)d/（bG）领先位错处的应力场领先位错处的应力场 t t(r)n(t-tt-to o)=(t-tt-to o)2d/（bG）在相邻晶粒位错源在相邻晶粒位错源S2处的分切应力处的分切应力 t t(r)=f(r)t t(r)=f(r)(t-tt-to o)2d/(bG)当当当当t t t t(r)(r)t t t t*时，时，时，时，(t t t t*为位错源为位错源为位错源为位错源S S2 2开动的临界应力），开动的临界应力），开动的临界应力），开动的临界应力），S S2 2开开开开动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，动，相邻晶粒发生塑性变形，即材料整体开始屈服，此时的外应力此时的外应力此时的外应力此时的外应力t t t t即为该多晶材料的屈服应力即为该多晶材料的屈服应力即为该多晶材料的屈服应力即为该多晶材料的屈服应力t t t ts s f(r)(t ts-t-to o)2d/(bG)t t*t ts=t to o+t t*f(r)bG(-1/2)d(-1/2)=t to o+kd(-1/2)纳米材料反常的纳米材料反常的纳米材料反常的纳米材料反常的Hall-PetchHall-Petch关系关系关系关系孪晶界强化孪晶界强化被称作金属材料的第五种强化方法被称作金属材料的第五种强化方法孪晶界及其强化作用孪晶界及其强化作用孪晶界是一种低能共格晶界，它能够有效地阻位错运动并吸收部分位错，因此可以起到与普通晶界相似的强化作用。但是共格孪晶界对电子的散射能力极小，其电阻值比普通晶界的电阻低一个数量级。因此，通过引入大量孪晶界（即制备出高密度纳米尺寸生长孪晶）可以大幅度提高材料的强度而对其电导特性无明显影响。强度和导电性是导体金属材料的两个至关重要性能。纯金属（如银、铜等）具有很高的导电率，但其强度极低（均小于100MPa）。通过合金化固溶强化、晶粒细化、加工强化等强化技术可大幅提高强度，但往往导致金属材料电导率的大幅度降低，其原因在于这些强化技术本质上是在材料中引入各种缺陷，如晶粒细化引入更多晶界，加工强化引入大量位错，这些缺陷会显著增大对电子的散射，从而降低导电性能。中科院金属研究所提出利用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径以实现超高强度和高导电性并最近获得成功。他们采用脉冲电解沉积技术制备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，通过工艺过程研究调整样品的晶粒尺寸、孪晶厚度及其分布、织构状态等，获得了具有超高强度和高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达1068MPa（是普通纯铜的十倍以上，达到高强度钢或铜晶须的强度水平），而室温电导率与无氧高导（OFHC）铜相当（97%IACS）。