材料科学基础-第7章-晶体缺陷ppt课件.pptx

材料科学基础,白 晶东南大学材料科学与工程学院,晶 体 缺 陷,概念及分类,0,点缺陷,1,位错的基本知识,2,位错的运动,3,位错的生成与增殖,5,位错的弹性性质,4,实际晶体中的位错,6,缺陷的概念及分类,平移对称性的示图,一、缺陷的概念,平移对称性的破坏,缺陷的概念及分类,特点：晶体缺陷普遍存在晶体缺陷数量上微不足道 例如，20时，Cu的空位浓度为3.810-17；充分退火后Fe中的位错密度为1012m-2。（空位、位错都是将要介绍的缺陷形态）。对某些结构敏感性能影响巨大,二、缺陷的分类,缺陷的概念及分类,按照破坏区域的几何特征，缺陷可以分为四类：,点缺陷(Point Defect)：在三维方向上尺寸都很小，又称零维缺陷。（空位、间隙原子及杂质原子等）；线缺陷(Line Defect)：在空间两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大，又称一维缺陷。（位错，本章重点讨论对象）；面缺陷(Plane Defect)：在空间一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。（晶界、相界、晶体表面及层错等）；体缺陷：在三维方向上尺度都较大，又称三维缺陷。（沉淀相、气孔等）。,缺陷的概念及分类,多晶体中的常见缺陷模拟图,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.1 点缺陷的形成一、点缺陷的类型 在点阵节点上或邻近的区域内偏离晶体结构，包括空位、自间隙原子、外来间隙原子、置换原子等。,1、空位 原子脱离了正常格点，在原来的位置上留下了空节点。2、间隙原子 进入点阵间隙中的原子。,7.1 点缺陷(Point Defect),空位和间隙原子作为缺陷，会引起点阵对称性的破坏，并引起晶格畸变。,7.1 点缺陷(Point Defect),二、点缺陷的形成 热运动，具有足够能量的原子离开原来位置。离位原子迁移到晶体的表面-肖脱基空位；离位原子挤入晶体的间隙位置，在晶体内部同时形 成数目相等的空位和间隙原子-弗兰克空位。,7.1 点缺陷(Point Defect),三、离子晶体中的点缺陷 肖脱基缺陷：为了维持电性的中性，出现空位团，空位团由正离子和负离子空位组成。,7.1 点缺陷(Point Defect),弗兰克缺陷：在离子晶体中把离子从正常位置移入附近的间隙位置，这样就形成弗兰克缺陷对。,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.2 点缺陷的平衡浓度 晶体中出现点缺陷后，对体系存在两种相反的影响：造成点阵畸变，使晶体的内能增加，提高了系统的自由能，降低了晶体的稳定性；增加了点阵排列的混乱度，系统的微观状态数目发生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降。,7.1 点缺陷(Point Defect),当内能和组态熵达到统一时，系统就达到平衡。由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。,7.1 点缺陷(Point Defect),系统的自由能FUTS 设一完整晶体中总共有N个同类原子排列在N个阵点上。若将其中n个原子从晶体内部移至晶体表面，则可形成n个肖脱基空位，假定空位的形成能为Ef，则晶体内能将增加DUnEf。另一方面，空位形成后，由于晶体比原来增加了n个空位，因此晶体的组态熵（混合熵）增大。根据统计热力学原理，组态熵可表示为：Sc=klnW 其中k为玻尔兹曼常数(1.3810-23J/K),W为微观状态数：,7.1 点缺陷(Point Defect),由于(N+n)!/(N!n!)中各项的数目都很大(Nn1)，可用斯特林(Stirling)近似公式lnx!xlnxx(x1时)将上式简化：,7.1 点缺陷(Point Defect),此时系统自由能变化DF：,在平衡态，自由能应为最小，即:,7.1 点缺陷(Point Defect),将上式中指数的分子分母同乘以阿伏加德罗常数NA：式中Ef为空位的形成能，Qf为形成1mol空位所需作的功(空位形成激活能），R为气体常数（8.31J/mol）。按照类似的方法，也可求得间隙原子的平衡浓度：,可得空位平衡浓度：,7.1 点缺陷(Point Defect),间隙原子与空位相比数量可忽略不计；肖脱基空位形成远比弗兰克空位更容易。,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.3 点缺陷的运动,空位迁移,7.1 点缺陷(Point Defect),间隙原子移动,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.4 点缺陷对材料性能的影响1、电阻率的变化,2.密度的变化 晶体体积膨胀，密度减小。例如，形成一个肖脱基空位，晶体增加一个原子体积。考虑空位周围原子收缩，约增大0.5倍原子体积。一个间隙原子引起12倍原子体积膨胀。,7.1 点缺陷(Point Defect),7.1.5 热力学非平衡点缺陷1、淬火：将晶体加热到高温急冷，使空位在冷却过程中来不及消失，在低温时保留下来，形成过饱和空位；2、辐照：高能粒子轰击，形成弗兰克缺陷。如：每个直接被快中子(1Mev)击中的原子，大约可产生100200对空位和间隙原子；3、塑性变形：晶体塑性变形时，通过位错的相互作用也可产生大量的过饱和点缺陷。,7.2 位错(Dislocation),晶体生长和相变过程常常依赖位错进行,金刚砂晶体生长的螺线,7.2 位错(Dislocation),晶体的力学性能与位错密切相关,7.2 位错的基本知识,7.2.1 位错概念的产生 是对晶体塑性变形过程研究的结果,钴单晶形变扫描电镜图,7.2 位错的基本知识,滑移系,研究结果表明晶体塑性变形与晶体结构存在相关性：滑移面 滑移方向 临界切应力：导致滑移的滑移面滑移方向上最小切应力。,7.2 位错的基本知识,上述过程的宏观特征：,上述过程的微观特征：,7.2 位错的基本知识,1926年晶体屈服强度的计算：弗兰克(Frenkel)的刚体模型晶体：完整的简单结构，平行于滑移面的原子面间距为a。,7.2 位错的基本知识,假定t是x的正弦函数：其中tm对应正弦函数的振幅，a是周期。tm估计：一方面，考虑位移很小(xa)的情况：另一方面，形变很小时，应力和应变满足虎克定律，即:t=Gg=Gx/b G为切变模量，g为切应变。,7.2 位错的基本知识,比较上述公式，有：,当a=b时，有：,即tm的数量级为0.1G。,7.2 位错的基本知识,计算结果与实验值相距甚远,7.2 位错的基本知识,很多人对此模型进行了仔细修正（主要是考虑了原子间力的短程性），计算出的m仍有约G/30，与实验值相差依然很大。,7.2 位错的基本知识,1934年M.Polanyi，E.Orowan和G.Taylor差不多同时提出了位错的局部滑移理论：,此后一段时间内由于缺乏实验手段验证，存在争议。1956年门特(J.W.Menter)用电子显微镜(TEM)直接观察到铂钛花青晶体中的位错。,7.2 位错的基本知识,TEM观察到的钛合金中的位错,TEM观察到的位错与第二相相互作用,A crack in Si(Dark line)emits a number of dislocations on thermal cycling.The dislocations were formed to relieve thermal stresses.,7.2 位错的基本知识,位错的观察,氟化锂表面浸蚀出的位错露头的浸蚀坑,KCl晶体是透明的，用杂质辍饰后可以见到白色的“位错”。,7.2 位错的基本知识,位错在哪里？假设在滑移面上有部分面积已经滑移，上下侧相对滑移了一个矢量，在已滑移区和未滑移区的交界处必然存在很大畸变这就是位错！,7.2 位错的基本知识,7.2.2 位错的基本类型和柏氏矢量一、刃型位错(Edge Dislocation)刃型位错的原子组态：,7.2 位错的基本知识,产生刃型位错的过程：EF：位错线ABCD：滑移面滑移矢量多余半原子面,滑移矢量:晶体滑移过程中，在滑移面的滑移方向上，原子从一个位置移向另一个位置所引出的矢量。方向/宏观滑移方向大小=晶体滑移距离,7.2 位错的基本知识,刃型位错的几何特征：位错线与其滑移矢量b垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线；每根位错的滑移面唯一确定；,有多余半原子面，可分为正和负，多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示；,点阵发生畸变，产生压缩和膨胀，形成应力场，随着远离中心而减弱；位错线缺陷是包含几个原子宽度的管形区域。,还可以采用什么方式构造出一个位错？,7.2 位错的基本知识,(何处发生压缩？何处发生膨胀？）,7.2 位错的基本知识,二、螺型位错 螺型位错的原子组态：,7.2 位错的基本知识,产生螺型位错的过程：EF：位错线ABCD：滑移面滑移矢量没有多余半原子面,7.2 位错的基本知识,7.2 位错的基本知识,刃型位错的几何特征：螺位错线与其滑移矢量b平行，故螺位错只能是直线；每根螺位错的滑移面不唯一；,螺型位错方向的规定：,左旋螺型位错：符合左手定则,右旋螺型位错：符合右手定则,当螺卷面为右手螺旋时，为右螺旋位错，反之为左螺旋位错；,右螺旋位错,左螺旋位错,7.2 位错的基本知识,螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而无体应变；也是包含几个原子宽度的“管形”线缺陷。,7.2 位错的基本知识,三、混合型位错 位错线与滑移矢量呈一般的关系,滑移矢量,7.2 位错的基本知识,图中何处是刃位错和螺位错？,7.2 位错的基本知识,四、柏氏矢量 目的：借用晶体滑移量表示位错引起的晶体畸变。柏格斯(Burgers)于1939年提出柏格斯矢量，简称柏氏矢量，b:表示形成一个位错的滑移矢量。（滑移矢量：晶体滑移过程中，在滑移面的滑移方向上，原子从一个位置移向另一个位置所引出的矢量。）,7.2 位错的基本知识,1、柏氏回路 思路：有缺陷晶体与完整晶体比较。柏氏回路：实际晶体中，在位错周围的“好”区内围绕位错线作的一任意大小闭合回路。回路方向：右手螺旋法则。规定位错线指出屏幕为正，右手的拇指指向位错的正向，其余四指的指向就是柏氏回路的方向。,7.2 位错的基本知识,2、柏矢量的确定 在位错周围的“好”区内围绕位错线作一任意大小的闭合回路。按照同样的作法在理想晶体中作同样的回路。理想晶体中回路终点Q与起点M不重合，连接Q与M的矢量b即为柏氏矢量。,7.2 位错的基本知识,7.2 位错的基本知识,刃型位错：刃型位错的柏氏矢量与位错线相垂直；刃型位错正负的判断：右手法则：食指位错线方向，中指柏氏矢量方向，拇指上正下负。螺型位错：螺型位错的柏氏矢量与位错线平行；柏氏矢量与位错线方向一致：右旋。不一致：左旋,7.2 位错的基本知识,3、柏氏矢量的物理意义 柏氏回路实际上是将位错线周围原子排列的畸变迭加起来，用柏氏矢量来表示。柏氏矢量的物理意义：b越大，位错周围的点阵畸变越严重，位错引起的晶体弹性能越高。矢量模|b|表示畸变强度，称为位错强度。,柏氏矢量标志着位错的特征：柏氏矢量是位错区别与其他晶体缺陷（如空位等点缺陷、表面等面缺陷）的特征，其他缺陷没有柏氏矢量（可以通过做柏氏回路证明）。可以把位错定义为b不为0的晶体缺陷。柏氏矢量与位错的组态和弹性性质直接相关。位错的能量、应力场、位错受力、相互间的反应等，都与b有关。柏氏矢量与位错线的关系，标志着位错的性质。,7.2 位错的基本知识,4、柏氏矢量的表示方法(1)柏氏矢量：对于柏氏矢量b沿晶向uvw的位错.对于立方晶系：(2)柏氏矢量的模：柏氏矢量的模的计算就是矢量模的计算。(3)位错的加法按照矢量加法规则进行。,7.2 位错的基本知识,5、柏矢量的守恒性 由于在作柏氏回路时，只要求它保持在晶体的无缺陷区即可，对其形状和位置并没有限制，这意味着柏氏矢量的守恒性（回路大小、位置变化，柏氏矢量不变）。由此可引出三条推论：,(1)一条不分岔的位错线只有一个柏矢量；或者说，一条位错，不与其他位错线相交时，无论形状如何变化，其各处的柏氏矢量相同。,(2)数条位错交于一点时，流入节点的各位错线的柏矢量和等于流出节点的各位错线柏矢量之和。或者说：同时指向或离开结点的位错柏氏矢量为零，即bi0,7.2 位错的基本知识,（3）位错线只能终止在晶体表面或晶界上，而不能中断于晶体的内部。,7.2 位错的基本知识,晶体中的位错组态常常是位错网络。在经强烈冷加工后，晶体中的位错组态很复杂，经常出现象发团一样的位错现象发团一样的位错“缠结”。,在晶体内部，它只能形成封闭的环或与其他位错相遇于节点形成位错网络。,7.2 位错的基本知识,除了位错网络外，位错还可以单独地以位错环的形式存在。,7.2 位错的基本知识,图中A、B、C、D处位错的性质和方向？,7.3 位错的运动,7.3.1 位错的滑移,1、刃型位错,位错沿滑移面的移动,7.3 位错的运动,正刃型位错负刃型位错,7.3 位错的运动,一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶（方向由决定），造成晶体塑性变形。位错线沿着滑移面移动时，扫过的区域是已滑移区，未扫过的区域为未滑移区。在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。滑移面是位错线与柏氏矢量构成的平面。,7.3 位错的运动,2、螺型位错,7.3 位错的运动,7.3 位错的运动,与刃型位错相同一个螺型位错沿滑移面滑过整个晶体，在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶（方向由决定），造成晶体塑性变形。在切应力作用下，螺型位错的移动方向总是与位错线垂直。,与刃型位错不同的是螺位错运动方向与其柏氏矢量垂直。,7.3 位错的运动,螺位错的交滑移和双交滑移,螺型位错的位错线与其柏氏矢量平行，没有确定滑移面，可在通过位错线的不同原子面滑移。从一面滑移转到另一滑移面上的现象称为交滑移。,只有螺位错有交滑移。,7.3 位错的运动,3、混合型位错,位错的移动方向仍然是位错法线方向，即与位错线垂直；符号相反的位错运动方向也相反；最终造成的晶体宏观滑移由柏氏量b决定。,位错运动方向：总是垂直于位错线。,总结,勿将位错滑移和晶体滑移混为一谈,晶体滑移方向总是与外力方向及柏氏矢量方向一致；晶体滑移量总是等于柏氏矢量。,位错滑移方向总是垂直于位错线；位错柏氏矢量总是平行于外力方向。,位错滑移引起的晶体滑动,7.3 位错的运动,7.3.2 刃型位错的攀移,扩散实现，所需能量大（高温、外力）；通常逐段进行；螺型位错没有多余半原子面，不发生攀移,刃位错正攀移,刃位错负攀移,总括：无论哪种位错，哪种运动，位错线运动方向始终与位错线垂直；刃位错：滑移方向与外力及柏氏矢量b一致；正、负位错滑移方向相反；可发生攀移。螺位错：滑移方向与外力及柏氏矢量b垂直；左、右位错滑移方向相反；可发生交滑移。混合位错：滑移方向与外力及柏氏矢量b成一定角度。晶体滑移方向：与外力及柏氏矢量b一致。单根位错引起的晶体滑移量：该位错柏氏矢量的模。,7.4 位错的弹性性质,7.4.1 位错的应力场 位错中心形成严重点阵畸变；周围点阵发生弹性应变，产生应力场。弹性能，产生线张力；位错之间交互作用；位错与其他晶体缺陷交互作用。,目标：分析位错引起的畸变分布、能量变化。方法：连续介质方法、点阵离散方法。一、位错的弹性连续介质模型 1、基本思想 位错中心：畸变严重，要直接考虑个别原子的位移及晶体结构和原子间的相互作用，非常复杂。远离位错中心：畸变较小，可视作弹性变形区，简化为连续介质，用线弹性理论处理。,7.4 位错的弹性性质,2、应力、应变的表示方法,角标的第一个符号表示应力作用面的外法线方向，第二个下标符号表示该应力的指向 6个独立应力分量：xx，yy，zz，txy，txz，tyz（txy=tyx，txz=tzx，tyz=tzy）6个应变分量：xx，yy，zz，gxy，gxz，gyz。,7.4 位错的弹性性质,二、螺型位错应力场构造：空心圆柱体，沿xoz面切开至中心，晶体割开面两岸沿z轴相对位移b，再胶合起来。,只有一个切应变：gz=gz=b/2r 相应的切应力：tz=tz=Ggz=Gb/2r,极坐标应力场表达式：,直角坐标应力场表达式：,7.4 位错的弹性性质,螺型位错的应力场特点：,只有切应力分量，没有正应力分量；（表明螺型位错不引起晶体的膨胀和收缩。）,切应力分量只r有关。（表明螺型位错的应力场是轴对称的，且随着与位错距离的增加而减弱。）,注意：上述公式并不适用于位错核心区域（r接近0）。,7.4 位错的弹性性质,三、刃型位错应力场构造：将一空心弹性圆柱体沿径向切开至中心，然后将割口上下晶体沿x轴方向相对滑移一柏氏矢量b，再胶合起来。,7.4 位错的弹性性质,Z方向没有发生变形X，Y方向的变形与z无关Z-Y面为多余半原子面Z-X面为滑移面,极坐标应力场表达式：,直角坐标应力场表达式：,刃型位错的应力场特点：同时存在正应力与切应力；所有的应力与Z值无关；应力场对称于半原子面（y轴对称）；包含半原子面的晶体(y0)，xx0，X轴方向受拉应力；在滑移面上（y=0），只有切应力，无正应力；在半原子面（x=0）或与滑移面呈45o晶面上（|x|=|y|），无切应力。,7.4 位错的弹性性质,刃位错应力场分布,7.4 位错的弹性性质,7.4.2 位错的应变能 应变能：位错应力场在周围晶体中引起的畸变能。E=Ee+E0 E0:位错中心的能量 点阵畸变大，超出弹性应变范围，占总能量1/10-1/15（可忽略）Ee:位错中心区域以外的能量 位错应力场引起的弹性应变能（连续介质弹性力学模型）,7.4 位错的弹性性质,单位长度刃型位错的应变能,从完整晶体至目前状态，克服切应力所做功:,滑移面上位移为x时：,7.4 位错的弹性性质,单位长度螺型位错应变能：,一般金属的泊松比v0.30.4，若取 v=1/3，则刃型位错的弹性应变能比螺型位错约大50%。,螺型位错：,当b相同时：,7.4 位错的弹性性质,对混合位错：,，混合位错的角度因素，k10.75,位错应变能与b2成正比|b|小的位错更稳定，位错滑移方向一般都是沿原子的密排方向;|b|大的位错可能分解为|b|小的位错，以降低系统能量。单位长度位错应变能可进一步简化为 E=aGb2，a取0.51。,7.4 位错的弹性性质,7.4.3 位错运动的动力和阻力一、位错滑移的动力 位错的滑移方向垂直于位错线可以理解为有一垂直于位错线的力作用在位错线上。虚功原理：切应力使晶体滑移做功=法向力推动位错滑移做功,7.4 位错的弹性性质,设位错贯穿晶体长度为l，滑移ds距离：位错法向力作功=Fds若滑移面面积为A，位错滑移ds产生的滑移量为：分切应力所作的功=,单位长度位错受力：,二、刃型位错攀移的动力,单位长度刃位错受力：,拉应力，f向下，有助于原子扩散到位错处，半原子面扩大，负攀移。,压应力，f向上，有助于空位迁移到位错处，半原子面缩小，正攀移。,7.4 位错的弹性性质,三、位错滑移的点阵阻力 位错在没有任何应力场晶体中运动，也存在阻力克服晶体点阵的能垒。周期性的晶格阻力（派纳力、Peierls-Nabarro力、P-N力）。,7.4 位错的弹性性质,P-N力相当于在理想简单立方晶体中使一刃位错运动所需的临近切应力。,一般情况，取ab，v0.3，此时p=10-310-4G。与实际相近。当a最大（最密排面），b最小（最密排晶向）上滑移，派-纳力最小，与晶体滑移机制相符。,7.4 位错的弹性性质,位错运动形成扭折,7.4 位错的弹性性质,7.4.4 位错的线张力 位错能量与位错线的长度成正比，有尽可能缩短其长度而降低自由能的趋势。位错线张力：位错线增加单位长度时，引起晶体能量的增加，即单位长度位错的应变能,考虑到位错通常都是弯曲的，a常取0.5：,7.4 位错的弹性性质,7.4 位错的弹性性质,7.4 位错的弹性性质,2、平行刃位错间的力 位错b1应力场中，对于位错b2，切应力分量yx驱使其沿X轴方向滑移;正应力分量xx驱使其沿Y轴方向攀移。这两个力分别为：,7.4 位错的弹性性质,同号刃性位错的交互作用 异号刃位错的交互作用,7.4 位错的弹性性质,同时考虑切应力和正应力分量,7.4.6 位错塞积,7.4 位错的弹性性质,7.4 位错的弹性性质,刃型位错塞积造成的微裂纹,7.4 位错的弹性性质,7.4.7 运动位错的交割,林位错：穿过某一滑移面的位错，称为该面林位错。位错交割：位错交叉通过的行为，叫位错交割或交截。,扭转台阶柏氏矢量=原位错柏氏矢量(b原)长度=交割位错长度(|b交|)方向=交割位错方向(/b交),位错交割,无变化,形成台阶,扭折,是否在原位错滑移面上？,割阶,是否与原位错滑移方向一致？,Yes,No,可动割阶,不动割阶,Yes,No,随位错运动被逐渐拉直消失,可随原位错一起滑移,不能滑移，只能攀移,不随位错运动而消失,7.4 位错的弹性性质,1、柏氏矢量平行的两刃位错交割,AB:,台阶,扭折,同一滑移面,CD:,台阶,扭折,同一滑移面,（螺型）,（螺型）,7.4 位错的弹性性质,2、柏氏矢量垂直的两刃位错交割,7.4 位错的弹性性质,AB:,无变化,CD:,台阶,割阶,不在同一滑移面,（刃型）,滑移方向与原位错一致,可动割阶,割阶滑移面：割阶位错与其柏氏矢量确定的晶面（即b原与b割构成的面）,7.4 位错的弹性性质,3、刃型位错与螺型位错的交割,7.4 位错的弹性性质,AB:,CD:,台阶,扭折,在同一滑移面,（刃型）,台阶,割阶,不在同一滑移面,滑移方向与原位错一致,可动割阶,（刃型）,7.4 位错的弹性性质,4、两螺型位错的交割,7.4 位错的弹性性质,CD:,台阶,割阶,不在同一滑移面,滑移方向与原位错不一致,不动割阶,（刃型）,特性：扭转台阶长度、方向与交割位错柏氏矢量相同；台阶滑移面是台阶位错线与其柏氏矢量构成的晶面；扭折可以是刃型或螺型；割阶最终状态一定是刃型；刃位错产生的割阶一定是可动割阶；螺位错产生的割阶一定是不动割阶。,交割位错的运动,扭折随主位错线运动 几乎无阻力 线张力下逐渐消失刃位错割阶可动位错滑移 阻力有所增加:(1)位错线增长；(2)滑移面改变。螺位错割阶不动位错攀移 阻力大幅增加（甚至钉扎位错）三种不同情况运动：,7.4 位错的弹性性质,带小割阶位错运动（割阶1-2个原子间距）,带位错偶极的位错运动（割阶几个-20个原子间距）,带大割阶位错运动（割阶超过20-30个原子间距）,7.4 位错的弹性性质,7.4.8 位错与点缺陷的交互作用,柯垂耳模型：假设溶质原子为刚球，引起的畸变是球形对称的，其受应力场为水静应力。(只适用于刃位错应力场中）,7.4 位错的弹性性质,位错与溶质原子的相互作用示意图,若温度和时间允许，溶质原子将向位错附近聚集，形成溶质原子气团(柯垂耳气团)，使位错的运动受到限制。,7.5 位错的生成与增殖,7.5.1 位错密度,一般来说vs。精心制备超纯半导体：s=106m-2 充分退火的金属晶体：s=1081012m-2 剧烈冷加工的晶体：s=1016m-2 即使在s=1016m-2的情况下，任一平面上，约1000个原子中才有一个位错露头，缺陷所占的比例仍很小。,7.5 位错的生成与增殖,7.5.2 位错的生成凝固时相位略有偏差的两部分晶体交会时的原子错配；晶体冷却时的局部内应力造成（温度梯度、成分不均、晶体结构变化等，如夹杂物周围）；空位聚集形成（聚集的空位片在应力下发生塌陷而在周围形成位错环）。,7.5 位错的生成与增殖,7.5.3 位错的增殖 常理：晶体塑性变形大量的位错滑移出晶体表面消失晶体中位错数量越来越少。事实：塑性变形过程中位错的数量不仅没有减少，反而大大增加。位错在以某种方式进行增殖。,7.5 位错的生成与增殖,Frank-Read提出的位错增殖机制U型平面源,7.5 位错的生成与增殖,两端被钉轧刃位错,外力作用下开始运动,位错线弯曲扩展，发生回转,位错柏矢量不变，回转后各处性质发生变化,p、q处为纯螺型位错，旋向相反，相遇时彼此抵消；,位错环继续扩展，DD位错循环上述过程,Si单晶中的F-R源，位错线以Cu沉淀缀饰后，以红外显微镜观察,7.5 位错的生成与增殖,通常l的数量级为10-4cm，b10-8cm，c 10-4。与实际晶体的屈服强度相符。,7.5 位错的生成与增殖,单边F-R源动作过程 实验观察,单边F-R源（L型平面源）机制,7.5 位错的生成与增殖,双交滑移,双交滑移F-R源机制,7.6 实际晶体中的位错,7.6.1 实际晶体中的单位位错,典型晶体结构中单位位错的柏氏矢量及其大小,7.6 实际晶体中的位错,面心立方晶体中的全位错,7.6 实际晶体中的位错,7.6.2 堆垛层错 1.正常堆垛顺序,7.6 实际晶体中的位错,7.6 实际晶体中的位错,7.6 实际晶体中的位错,2、堆垛层错 实际晶体中堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异。,7.6 实际晶体中的位错,抽出型层错,插入型层错,层错对晶体的影响：不产生点阵畸变；破坏了晶体的周期性和完整性，导致晶体能量的增加。增加的能量称为层错能（以单位面积层错能表示，）,7.6 实际晶体中的位错,层错能越大，层错出现概率越小。,不锈钢中的层错,7.6.3 不全位错 层错往往只在部分区域形成；层错与完整晶体的交界处就存在界限，即位错；该位错柏氏矢量b不等于点阵矢量，为不全位错。,7.6 实际晶体中的位错,fcc晶体：一步滑移：BB，柏氏矢量：b1（全位错）。局部畸变大、能量显著增加两步滑移：BCB，柏氏矢量：b2、b3（不全位错）。局部畸变小、能量略微增加,7.6 实际晶体中的位错,一、肖克莱不全位错,7.6 实际晶体中的位错,7.6 实际晶体中的位错,7.6 实际晶体中的位错,肖克莱不全位错,层错面111,位错：层错区和无层错区边界；位错位于层错面上，与层错不可分离；为层错面上二维曲线。,b/层错面可为刃、螺、混合型只能滑移,7.6 实际晶体中的位错,fcc晶体的111面插入或抽出部分原子面，层错区与正常区域的界限即弗兰克不全位错。,7.6 实际晶体中的位错,负弗兰克不全位错,正弗兰克不全位错,过饱和空位聚集成空位片后沿方向坍塌。,高能粒子辐照产生过剩间隙原子优先分布在面上形成间隙原子片。,二、弗兰克不全位错,负弗兰克不全位错,正弗兰克不全位错,7.6 实际晶体中的位错,正弗兰克不全位错,负弗兰克不全位错,层错面111,层错面111,位错：层错区和无层错区边界；位错位于层错面上，与层错不可分离；为层错面上二维曲线。,b 层错面只能为刃型只能攀移,7.6 实际晶体中的位错,7.6 实际晶体中的位错,面心立方中的几种典型位错,柏氏矢量,刃、螺、混,刃、螺、混,纯刃,空间曲线,111面上任意曲线,111面上任意曲线,滑移、攀移、交滑移,只能滑移，不能攀移、交滑移,只能攀移，不能滑移,位错反应：位错的相互转化。组态不稳定的位错转化为组态稳定的位错（具有不同柏氏矢量的位错发生合并或分解）。两个条件：几何条件：柏氏矢量守恒性，反应前后位错的柏氏矢量之和相等，即：Sb前=Sb后 能量条件：热力学要求，反应后位错的总能量小于反应前总能量，决定因素为弹性能（正比于b2），有：Sb前2 Sb后2,7.6 实际晶体中的位错,三、位错反应,fcc晶体中全位错分解成两个肖克莱不全位错。同一滑移面上，柏氏矢量(60)互相排斥，有分开的趋势。扩展位错：两条平行的不全位错和中间的层错区的组合。,7.6 实际晶体中的位错,四、扩展位错,扩展位错的宽度d0反比于层错能g。层错能低的金属，如奥氏体不锈钢，扩展位错的宽度可达20-30个原子间距；层错能高的金属，如铝，扩展位错的宽度只有1-2个原子间距，可以认为位错没有扩展。,7.6 实际晶体中的位错,F,F,扩展位错的运动,扩展位错的两个肖克莱分位错作为一个整体滑移，所需应力比单个位错滑移应力更大，滑移更加困难；扩展位错运动同肖克莱分位错运动，只能在层错面滑移，不能交滑移或攀移；扩展位错只能再合并成全位错后，才能实现交滑移或攀移（位错束集）。,束集：层错面上存在障碍（杂质原子、不可动位错等）时，扩展位错的宽度将会缩小，甚至收缩成一个节点，变为原来的全位错。形成束集需要能量（束集能）：伴随不全位错间距减小，抵抗排斥力做功；位错弯曲变长，能量增加。,7.6 实际晶体中的位错,扩展位错的束集,扩展位错的交滑移(或攀移）扩展位错只能在其滑移面上整体运动，不能进行交滑移。扩展位错受阻 束集成螺位错 交滑移至另一滑移面 重新分解成扩展位错层错能越小扩展位错越宽越难束集越难交滑移 实际中，在一些fcc合金中，加入某些置换元素，择优分布在111面上，形成铃木气团，可降低层错能，提高合金高温强度。,7.6 实际晶体中的位错,7.6 实际晶体中的位错,五、面角位错（罗曼-柯垂尔位错，L-C位错）,7.6 实际晶体中的位错,合成位错可滑移面为(001)面，非fcc晶体易滑移面；它通过层错与两个互呈一定角度的不全位错联系在一起；不能在自己滑移面或两边任一滑移面滑移，为不动位错。,这样三个不全位错和其间的层错，构成一个面角组合，可称面角位错、罗曼-柯垂尔位错（L-C）位错、压杆位错、梯毯棍位错等。,本章结束,