材料成形金属学：1-5位错的运动

正刃型位错正刃型位错负刃型位错负刃型位错Deformed microstructure of Ti3Al-Nb alloy (TEM ) 位错环位错环 dislocation loop 在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得到的材料，这时位错的密度较低，约在到的材料，这时位错的密度较低，约在106-8的数量级；的数量级； 经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1011-12的数量级。的数量级。位错密度位错密度 位错的应力场：位错的应力场：位错中心原子错排严重，且位错周围的原子也相应偏离平衡位置 形成应力场。 stress field 位错的应变能：位错的应变能：位错周围点阵畸变引起弹性应力场，导致能量升高。 strain energy 位错的线张力位错的线张力 line tension 其作用是使位错变直降低位错能量 相当于物质弹性称之为位错的弹性性质 类似于液体为降低表面能产生的表面张力。 位错应变能位错应变能与位错线长度成正比。为降低能量，位错线具有尽量缩短其长度的倾向，从而使位错产生线张力线张力。定义：定义：每增加单位长度的位错线所做的功或增加的位错能 位错的线张力位错的线张力。 如果受到外力或内力的作用，晶体中的位错将呈弯曲弧形。为达到新的平衡状态，位错弯曲所受的作用力与其自身的线张力之间必须达到平衡。 -位错的向心恢复力位错的向心恢复力保持位错线弯曲所需的切应力与曲率半径成反比,曲率半径越小, 所需的切应力越大,这一关系式对于位错的运动及增殖有着重要的意义.。 1.5 位错的运动与 晶体的塑性变形位错滑移机制 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动时, 晶体产生滑移。 通过位错的移动实现滑移时： 1 只有位错线附近的少数原子移动； 2 原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小。 Movement of an edge dislocation across the crystal lattice under a shear stress. Dislocations help explain why the actual strength of metals in much lower than that predicted by theory.Requires lower shear stress to cause slip than a plane in a perfect lattice:1. Earthworm moves forward through a hump that starts at the tail and moves toward the head;2. Moving a large carpet by forming a hump at one end and moving it to the other end. The force required to move a carpet is much less than that required to slide the carpet along the floor.Movement of an Edge Dislocation 刃位错的运动刃位错的运动 刃型位错滑移 a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） 外力 / b，位错线 ，位错线运动方向/ d） 一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e) 滑移面唯一。 螺位错滑移螺位错无多余半原子面，只能滑移。在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向相垂直的方向运动，直至消失在晶体表面，只留下一个柏氏矢量大小的台阶；螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行；螺型位错的滑移没有固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线为共同转轴的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移。 螺型位错滑移时周围原子的移动情况 代表下层晶面的原子 代表上层晶面的原子原位错线处在1-1处在切应力作用下，位错线周围的原子作小量的位移，移动到虚线所标志的位置，即位错线移动到2-2处，表示位错线向左移动了一个原子间距；反应在晶体表面上即产生了一个台阶；与刃型位错一样，由于原子移动量很小，移动它所需的力很小。代表下层晶面的原子；代表上层晶面的原子下层晶面原子受力 上层晶面原子受力螺型位错位置代表下层晶面的原子；代表上层晶面的原子下层晶面原子受力 上层晶面原子受力螺型位错位置螺位错滑移特点： a） 位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） / b，位错线/ ，位错线运动方向 ； d） 一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e） 滑移面不唯一。dzdxdybyzxS1S2S3S4i231.位错扫过滑移面引起晶体宏观滑移量切应变：dzbi 位错的易动性：处于1或2处的位错，其两侧原子处于对称状态，作用在位错上的原子互相抵消，位错处于低能量状态，而位错由12 经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。位错滑移时的晶格阻力 连续介质模型：不能反映位错中心的情况 派尔斯-纳巴罗：半点阵模型(semi-lattice) 在简单四方晶体中形成一个刃型位错 计算位错的中心宽度，计算出使位错在晶体中开始运动所需的切应力。 P-N模型：滑移面视为点阵结构；滑移面外仍为连续弹性介质。 位错移动受到一阻力点阵阻力，又叫派派纳力纳力（Peirls- Nabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。派纳力（p）实质上是周期点阵中移动单个位错所需的临界切应力。近似计算得： 式中b为柏氏矢量的模，G：切变模量， ：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-，a为面间距1）通过位错滑动而使晶体滑移，p 较小 ,一般ab， 约为0.3， 则p为（10-310-4）G，仅为理想晶体的1/1001/1000。 2）p随a值的增大和b值的减小而下降，在晶体中，原子最密排最密排 面面其面间距a为最大，原子最密排最密排方向其b值为最 小，可解释 晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密 排方向进行。3）p随位错宽度减小而增大。 强化金属途径： （1）建立无位错状态； （2）引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。 (111) Plane FCC011101110设想位错受到一种力而运动（实际上位错是一种原子组态，力是作用于晶体中的原子）。使位错发生运动的力称为位错运动的驱动力。使位错发生运动的力称为位错运动的驱动力。注意注意：驱动力不必一定是外力，晶体内部质点、界面或其它位错 引起的应力位错滑移的驱动力性质：仅当有切应力作用在一个位错的滑移仅当有切应力作用在一个位错的滑移面上，并且平行于它的柏格斯矢量方向的时候，位错才受滑移面上，并且平行于它的柏格斯矢量方向的时候，位错才受滑移驱动力的作用，这个位错才会运动或者趋于运动。驱动力的作用，这个位错才会运动或者趋于运动。柏格斯矢量方向没有切应力分量的所有位错不运动。位错滑移的驱动力位错滑移的驱动力 滑移的特点 刃型位错和螺型位错均可滑移； 只有切应力才能引起位错滑移； 刃型位错只有一个滑移面，螺型位错有多个滑移面； 滑移运动是保守运动，即不改变晶体的体积。攀攀 移移位错的正攀移过程 攀移攀移-刃型位错垂直于滑移面方向的运动。攀移的本质本质：刃型位错的半原子面向上或向下运动，于是位错线亦向上或向下运动。通常把半原子面向上移动称为正攀移正攀移，半原子面向下移动称为负攀移。负攀移。 攀移通过原子的扩散来实现。 空位反向扩散至半原子面的边缘形成割阶。随着空位反向扩散的继续，当原始位错线被空位全部占据时，原始位错线向上移动了一个原子间距，即刃型位错发生正攀移正攀移。原子扩散至刃型位错半原子面的下方，使整条位错线下移了一个原子间距，位错发生负攀移负攀移。 位错攀移 dislocation climb空位迁移 晶体中空位的迁移通过空位与它周围原子交换实现空位空位攀移的特点 1.螺型位错不能攀移； 2.攀移是半原子面的缩小或扩大。半原子面缩小为正攀移，扩大为负攀移； 3.正应力正应力使位错发生攀移运动； 4.攀移发生体积改变，是非保守运动； 5.在攀移过程中伴随着空位或原子的迁移，比滑移难于进行，一般在高温高温条件下发生。 化学力：化学力：如晶体中有过剩的点缺陷，譬如空位，单位时间内跳到位错上的空位（原子）数就要超单位时间内跳到位错上的空位（原子）数就要超过离开位错的空位（原子）数过离开位错的空位（原子）数，产生驱动力；产生驱动力； 弹性力：弹性力：多余半原子面缩小、膨胀过程中，如果多余半原子面缩小、膨胀过程中，如果有垂直于多余半原子面的弹性应力分量有垂直于多余半原子面的弹性应力分量 ，它就，它就要作功。要作功。 位错攀移的驱动力为两者之和。位错攀移的驱动力为两者之和。位错攀移的驱动力及产生 位错攀移 dislocation climbVacancy capture by dislocation line, dislocation climbs upNearby atom moves into dislocation, leaving a vacancy nearbySLIP (OR GLIDE) VS. CLIMB 滑移与攀移Slip is relatively easy, but climb is slower since vacancies must diffuse to/from the dislocation. 难易程度？Slip can be blocked by large precipitates. Blocking dislocations increases strength but lowers ductility.Climb allows dislocations to move around obstacles.Fe3CslipFeclimbslipFe3CFeslip Cross-Slip: 交滑移bbbPrimaryslip planeCrossslip planeedge= Dislocation generator (similar to Frank-Read source)交滑移 cross slip 作用原滑移面上运动受阻交滑移新滑移面滑移继续交滑移只能是螺位错才能发生 说明：交滑移不是塑性变形的主要机制可避开障碍物便于滑移 结论：交滑移能力影响滑移进行进一步影响塑性变形攀移与交滑移比较攀移：只能刃位错 非守恒运动 避开障碍物的方式 交滑移：只能螺位错 守恒运动