位错之间的交互作用课件

第五第五节位位错之之间的交互作用的交互作用晶体中存在位晶体中存在位错时，在它的周，在它的周围便便产生一生一个个应力力场。实际晶体中往往有晶体中往往有许多位多位错同同时存在。存在。任一位任一位错在其在其相相邻位位错应力力场作用作用下都会受下都会受到到作用力作用力，此交互作用力随，此交互作用力随位位错类型型、柏氏矢柏氏矢量大小量大小、位位错线相相对位向位向的的变化而化而变化。化。第五节 位错之间的交互作用 晶体中存在位错时，在它的周围一、两个平行螺位一、两个平行螺位错间的作用力的作用力位位错S1在在(r,)处的的应力力场为，位位错S2在此在此应力力场中中受到的力受到的力为：两平行螺型位两平行螺型位错间的作用力的作用力fr：大小大小与两位与两位错强度度的的乘乘积成成正比正比，而与两位，而与两位错间距距成成反比反比，其，其方向方向沿径沿径向向，垂直垂直于所作用的位于所作用的位错线。同理，位同理，位错S1在在 S2的的应力力场的的作用下也将受到一个作用下也将受到一个大小相等，方大小相等，方向相反向相反的作用力的作用力。一、两个平行螺位错间的作用力位错S1在(r,)处的应力场为当当和和同向同向时，即，即为同号螺位同号螺位错，fr0，作用力，作用力为排斥力，排斥力，若若和和反向反向时，即，即为异号螺位异号螺位错，fr0，二、两个平行刃位二、两个平行刃位错之之间的作用力的作用力e1作用于作用于(x,y)处的的应力分量有力分量有xx，yy，zz，xy，yx，其，其余余为0。但只有。但只有yx和和xx对e2有作用，由于有作用，由于e2的滑移面平行于的滑移面平行于XZ面，面，切切应力力yx能促使其沿能促使其沿X轴方向方向发生生滑移滑移，正正应力力xx能促使能促使其沿其沿Y轴方向方向发生生攀移攀移。xy对e2的滑移不起作用，的滑移不起作用，yy，zz对e2的攀移也不起作用。的攀移也不起作用。位位错e1作用于位作用于位错e2上的上的力力为：fx是引起滑移的作用力，当是引起滑移的作用力，当和和一定一定时，fx的正的正负号号(即作用力的方向即作用力的方向)由由x(x2-y2)项决定，即由决定，即由e2的位置决定。的位置决定。e1e2二、两个平行刃位错之间的作用力e1作用于(x,y)处的应力分当当b1、b2同号同号时，在在|x|y|时，若，若x0，则fx0；若若x0，则fx0，则fx0；若；若x0，则fx0，表，表明位于明位于同一滑移面上的同号位同一滑移面上的同号位错总是互相排斥的是互相排斥的。在在|x|0，则fx 0；若若x0，表明位，表明位错e2位于位于、区区时，两位两位错互相互相吸引；吸引；当b1、b2同号时，当当|x|=|y|时，fx=0，不存在使位，不存在使位错e2滑移的力，但滑移的力，但当它稍当它稍许偏离此位置偏离此位置时，所受到的力会使它，所受到的力会使它偏离的更偏离的更远，即，即y=x和和y=-x两条两条线是位是位错e2的介的介稳定位置定位置。当当x=0，fx=0，当它稍，当它稍许偏离此位置偏离此位置时，所受到的，所受到的力就使它力就使它退回原退回原处，即，即Y轴是位是位错e2的的稳定平衡位置定平衡位置。当|x|=|y|时，fx=0，不存在使位错e2滑移的力，但处于于相互平行的滑移面上的同号刃位相互平行的滑移面上的同号刃位错，将力，将力图沿沿着着与与柏氏矢量垂直柏氏矢量垂直的方向排列起来。的方向排列起来。这样的位的位错组态构成构成小角度晶界小角度晶界，也叫做，也叫做位位错壁壁(位位错墙)。回复。回复过程中多程中多边化后的化后的亚晶界就是由此形成的。晶界就是由此形成的。两刃位错在两刃位错在X-轴方向上的交互作用轴方向上的交互作用 (a)同号位错；同号位错；处于相互平行的滑移面上的同号刃位错，将力图沿着与柏氏矢量垂对于两个于两个异号刃位异号刃位错，其交互作用力与同号位，其交互作用力与同号位错相反，位相反，位错e2的的稳定平衡位置和定平衡位置和亚稳定平衡位置定平衡位置对换，即，即|x|=|y|时，为稳定平衡位置定平衡位置。两刃位错在两刃位错在X-轴方向上的交互作用轴方向上的交互作用(a)同号位错；同号位错；(b)异号位错异号位错 对于两个异号刃位错，其交互作用力与同号位错相反，位错fy是使是使e2沿沿y轴攀移的力。攀移的力。当当b1、b2同号同号时，fy与与y同号同号。位位错e2在位在位错e1的滑移面以上的滑移面以上时，即，即 y0，则fy0，位，位错将向上攀移；将向上攀移；当当e2在在e1滑移面以下滑移面以下时，fy0，则e2向下向下攀移。攀移。因此，两因此，两同号位同号位错沿沿y轴方向互相排斥方向互相排斥。而而异号位异号位错间的的fy与与y异号异号，所以，所以沿沿y轴方方向互相吸引向互相吸引。fy是使e2沿y轴攀移的力。第六第六节位位错的增殖、塞的增殖、塞积与交割与交割一位一位错的生成的生成晶体中的晶体中的位位错来源来源：1、晶体、晶体生生长过程中程中产生位生位错。先先、后后凝凝固固部部分分点点阵常常数数有有差差异异，形形成成位位错作作为过渡；渡；生生长着着的的晶晶体体偏偏转或或弯弯曲曲引引起起相相邻晶晶块之之间有有位位相差，相差，它它们之之间会形成位会形成位错；晶粒晶粒受力受力变形形而形成位而形成位错。2、自自高温高温较快冷却快冷却时晶体内存在大量晶体内存在大量过饱和空和空位，位，空位聚集形成位空位聚集形成位错。3、晶体内部的某些界面晶体内部的某些界面出出现应力集中力集中现象，使象，使该局部区域局部区域发生滑移生滑移，在，在该区域区域产生位生位错。第六节 位错的增殖、塞积与交割一位错的生成二、位二、位错的增殖的增殖充分退火的金属：充分退火的金属：=10101012/m2；经剧烈冷烈冷变形的金属：形的金属：=10151016/m2。高出高出45个数量个数量级：变形形过程中，位程中，位错肯定以某肯定以某种方式不断增殖了。种方式不断增殖了。位位错源：源：能增殖位能增殖位错的地方的地方。位位错增殖的机制有多种，其中最重要的是增殖的机制有多种，其中最重要的是FrankRead源源，简称称F-R源源。二、位错的增殖F-R源源过程：程：位位错线弯曲和弯曲和扩展中，展中，b不不变，位，位错线各点性各点性质在在变。1点点为左螺旋，左螺旋，7点点为右螺右螺旋，两点相遇旋，两点相遇时，彼此抵消，彼此抵消，位位错线断开成两部分。断开成两部分。外面是封外面是封闭的位的位错环，向外，向外扩展到晶体表面，展到晶体表面，产生一个生一个b的的滑移量；滑移量；而而环内的内的CD在在和和T的作用的作用下下变直，回到原始状直，回到原始状态。CD重复重复上述上述过程，程，放出大放出大量位量位错环，造成，造成位位错的增殖的增殖。F-R源过程：启启动F-R源所需要的切源所需要的切应力力当外加切当外加切应力力作用作用时，CD上将受到的力有：上将受到的力有：f=b：驱动力力，使位使位错向前弯曲向前弯曲。线张力力T：T=(1/2)Gb2，使位，使位错变直直。平衡平衡时有：有：fds=2Tsin(d/2)ds=rd，sin(d/2)d/2平衡半径平衡半径：r=Gb/2使位使位错弯曲到半径弯曲到半径r所需的切所需的切应力力：=Gb/2r半半圆时：r最小最小，最大最大。设CD间的的距离距离为L，rmin=L/2，启启动F-R源所需的源所需的临界切界切应力力：max=Gb/L fd/2d/2启动F-R源所需要的切应力当外加切应力作用时，CD上将受到弗弗兰克一瑞德位克一瑞德位错增殖机制增殖机制已已为实验所所证实，人，人们已在硅、已在硅、镉、Al-Cu，AlMg合金，不合金，不锈钢和和氯化化钾等晶体直接等晶体直接观察察到到类似的似的F-R源的迹象。源的迹象。弗兰克一瑞德位错增殖机制已为实验所证实，人们已在硅、镉、Al双交滑移双交滑移增殖机制；增殖机制；L形位形位错的增殖机制。的增殖机制。双交滑移增殖机制；三、位三、位错的塞的塞积位位错滑移运滑移运动的障碍的障碍：固定位：固定位错、杂质粒子，晶界等。粒子，晶界等。位位错的塞的塞积：位：位错在障碍物前被阻止、堵塞起来。在障碍物前被阻止、堵塞起来。位位错塞塞积群群：塞：塞积的位的位错群体。群体。领先位先位错：靠近障碍物的位：靠近障碍物的位错。塞塞积群中位群中位错所受的力有：所受的力有：1)外加切外加切应力力产生的作用力生的作用力b，促使位促使位错运运动，并尽量，并尽量靠靠拢。2)位位错之之间产生的相互排斥力生的相互排斥力，使位使位错在滑移面上尽量在滑移面上尽量散开散开。3)障碍物作用于障碍物作用于领先位先位错的阻力的阻力。三种力平衡三种力平衡时，塞，塞积群的位群的位错停止滑停止滑动，并按一定，并按一定规律排列：律排列：越靠近障碍物，位越靠近障碍物，位错越密集，距障碍物越越密集，距障碍物越远，越稀疏。，越稀疏。三、位错的塞积位错滑移运动的障碍：固定位错、杂质粒子，晶界等塞塞积群前端的群前端的应力集中力集中领先位先位错所受的力所受的力：外加切：外加切应力和其它位力和其它位错的的挤压力力+障碍物障碍物对领先位先位错的反作用力的反作用力0。塞塞积群由群由n个柏氏矢量均个柏氏矢量均为b的位的位错组成，平衡条件：成，平衡条件：nb=0b可得：可得：0=n在在领先位先位错与障碍物之与障碍物之间存在很大的存在很大的局部局部应力力(应力集中力集中)。n个位个位错塞塞积，头部的部的应力集中力集中是是外加切外加切应力力的的n倍倍。应力集中的力集中的正常松弛正常松弛：位：位错借交滑移借交滑移（螺位（螺位错）或或攀移攀移（刃位（刃位错）越越过障碍物障碍物。应力集中力集中不能正常松弛的后果不能正常松弛的后果：导致致晶体破裂晶体破裂或或迫迫使障碍物使障碍物另一另一边的位的位错源启源启动。塞积群前端的应力集中领先位错所受的力：外加切应力和其它位错的位位错塞塞积群群对位位错源源会会产生生反作用力反作用力。反作用力与外加切反作用力与外加切应力力平衡平衡，位位错源关源关闭，停止停止发射位射位错。只有只有进一步增加外力一步增加外力，位，位错源才会重新开源才会重新开动。对位位错运运动的阻碍能提高材料的的阻碍能提高材料的强度度。位错塞积群对位错源会产生反作用力。三、位错的交割位位错的交割的交割：具有不同柏氏矢量的：具有不同柏氏矢量的位位错彼此交叉通彼此交叉通过。割割阶：当：当和和两个位两个位错相互交割相互交割时，各自，各自生成的生成的大小和位向大小和位向等于等于对方柏氏矢量方柏氏矢量的的曲折曲折线段段。割割阶仍仍属于原位属于原位错的一段，其的一段，其柏氏矢量与原位柏氏矢量与原位错相相同同。任意两个位错的交割任意两个位错的交割三、位错的交割位错的交割：具有不同柏氏矢量的位错彼此交叉通过刃位刃位错之之间的交割的交割柏氏矢量互相垂直：柏氏矢量互相垂直：AB上上产生割生割阶PP，PP是位是位错线APPB中的一段，中的一段，其柏氏矢量其柏氏矢量为b2。PP垂直于垂直于b2，属，属刃位刃位错。CD没受影响没受影响（b2与与CD平行）。平行）。两个刃位错的交割（柏氏矢量互相垂直）两个刃位错的交割（柏氏矢量互相垂直）刃位错之间的交割柏氏矢量互相垂直：两个刃位错的交割（柏氏矢量柏氏矢量互相平行：柏氏矢量互相平行：AB上上产生割生割阶PP，PP平行于平行于b2；CD上上产生割生割阶QQ，QQ平行于平行于b1；两割两割阶均均为螺位螺位错。两个刃位错的交割（柏氏矢量互相平行）两个刃位错的交割（柏氏矢量互相平行）柏氏矢量互相平行：两个刃位错的交割（柏氏矢量互相平行）刃位刃位错与螺位与螺位错的交割：的交割：刃位刃位错AB上上产生割生割阶PP，柏氏矢量，柏氏矢量为b1，刃位，刃位错。螺位螺位错CD上上产生割生割阶QQ，柏氏矢量，柏氏矢量为b2，刃位，刃位错，但不能跟随但不能跟随CD一起滑移，只能借助攀移被拖拽一起滑移，只能借助攀移被拖拽过去，去，将将对CD的的继续移移动带来困来困难。刃位错与螺位错交割刃位错与螺位错交割刃位错与螺位错的交割：刃位错AB上产生割阶PP，柏氏矢量为交割的交割的结果果交割的交割的结果果：形成割形成割阶。可可动割割阶或固定割或固定割阶。割割阶的形成，的形成，增加了位增加了位错线的的长度度，需要，需要消耗消耗一一定的定的能量能量。交割交割过程程对位位错运运动是一种是一种阻碍阻碍。可可动割割阶的影响：的影响：带着割着割阶的位的位错继续运运动，阻阻力将增大力将增大。固定割固定割阶的影响的影响，增大增大原位原位错继续运运动的的阻力阻力，阻碍阻碍后后续位位错运运动的的。交割交割过程程及及交割的交割的结果，果，都将都将使使位位错运运动的的阻力阻力增加增加，变形更加困形更加困难，因而，因而产生了生了应变强化化。交割的结果交割的结果：形成割阶。可动割阶或固定割阶。应用应用弹性力学理论弹性力学理论可求得刃型位错周围的应力分布，可求得刃型位错周围的应力分布，在直角坐标系中的应力分量为在直角坐标系中的应力分量为:（不适用于中心区）（不适用于中心区）式中式中G切变模量，切变模量，泊松比，泊松比，b柏氏矢量的模。柏氏矢量的模。应用弹性力学理论可求得刃型位错周围的应力分布，在直角坐标系中刃型位刃型位错线的移的移动：滑移方向滑移方向：垂直于位：垂直于位错线，但，但平行于平行于b；滑移面滑移面：位：位错线与与b构成的平面，是构成的平面，是一个确定的一个确定的平面平面。滑移滑移结果果：产生一个生一个宽度度为b的台的台阶。刃型位错线的移动：滑移方向：垂直于位错线，但平行于b；位位错的攀移的攀移正攀移正攀移：多余半原子面：多余半原子面向上移向上移动。需失去最下面的一排原子。需失去最下面的一排原子。实现方式方式：空位空位扩散到散到半原子面的半原子面的下端下端，或半原子面下端的，或半原子面下端的原原子子扩散到散到别处。负攀移攀移：多余半原子面：多余半原子面向下移向下移动。实现方式方式：空位空位扩散到散到别处，或，或原子原子扩散到散到半原子面的半原子面的下端下端。位错的攀移正攀移：多余半原子面向上移动。需失去最下面的一排原位错攀移越过夹杂物位错攀移越过夹杂物位错攀移越过夹杂物位错之间的交互作用课件位错之间的交互作用课件位错之间的交互作用课件位错之间的交互作用课件位错之间的交互作用课件