23 位错的运动.docx

23 位错的运动2.3 位错的运动 位错的最重要性质之一是它可以在晶体中运动，而晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的力学性能如强度、塑性和断裂等均与位错的运动有关。因此，了解位错运动的有关规律，对于改善和控制晶体力学性能是有益的。晶体中的位错总是力图从高能位置转移到低能位置，在适当条件下(包括外力作用)，位错会发生运动。位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。 一 位错的滑移 位错沿着滑移面的移动称为滑移。位错在滑移面上滑动引起滑移面上下的晶体发生相对运动，而晶体本身不发生体积变化称为保守运动。位错的滑移是位错理论中很重要的一部分内容，也正是位错的滑移(逐步滑移)才得以解释本节开头就提出的有关临界切应力与理论值差别的现象。位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移而逐步实现的。 1 刃位错的滑移 刃位错的滑移如图1所示，对含刃位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位置“1”移动到位置“2”，如图1(a)。当位错运动到晶体表面，整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量，晶体表面产生高度为b的台阶，如图1(b)。刃位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直，故滑移面为b与t决定的平面，它是唯一确定的。由图1，刃位错移动的方向与b方向一致，和位错线垂直。 图1 刃型位错的滑移 2 螺位错的滑移 螺位错沿滑移面运动时，周围原子动作情况如图2。虚线所示螺旋线为其原始位置，在切应力t作用下，当原子做很小距离的移动时，螺位错本身向左移动了一个原子间距，到图中实线螺旋线位置，滑移台阶(阴影部分)亦向左扩大了一个原子间距。螺位错不断运动，滑移台阶不断向左扩大，当位错运动到晶体表面，晶体的上下两部分相对滑移了一个柏氏矢量，其滑移结果与刃位错完全一样。所不同的是螺位错的移动方向与b垂直。此外因螺位错b与t平行，故通过位错线并包含b的所有晶面都可能成为它的滑移面。当螺位错在原滑移面运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上去这样的过程叫交叉滑移，简称交滑移。 图2 螺位错的滑移 3 混合型位错的滑移 混合型位错沿滑移面移动的情况，如图3所示。沿柏氏矢量b方向作用一切应力t，位错环将不断扩张，最终跑出晶体，使晶体沿滑移面相对滑移了b。 图3 位错环的滑移 由此例看出，不论位错如何移动，晶体的滑移总是沿柏氏矢量相对滑移，所以晶体滑移方向就是位错的柏氏矢量方向。 4 晶格阻力派-纳力 对刃型位错来说，只有唯一的滑移面。螺型位错，柏矢量与位错线平行。从几何学上，同时包含柏矢量与位错线的平面有无穷多个。通过位错线的晶面也就包含了它的柏矢量，所以都可以成为它的滑移面，这种情况使得螺位错具有多个滑移面。螺位错在滑移运动时从一个滑移面到另一个滑移面上去的过程称为交滑移，这一点在晶体塑性变形一节中专门讨论。位错能在滑移面上运动，从运动学的角度容易理解，必须存在一个力来驱动位错的运动。即：外应力必须在滑移面上有分力才有可能使位错发生滑移。此力称为位错滑移的驱动力。驱动力不一定是外应力，也可能是其他应力场。如其他位错的应力场也可能成为滑移的驱动力。位错滑移要克服多种阻力，驱动力要达到一定大小，才能克服阻力，使位错滑移。最基本的阻力为点阵阻力。在周期性的结构中，位错从一个状态到另一个状态时，需要越过一个能垒，这就是一种阻力，这种阻力具有周期性，称为点阵阻力，又称派纳(派尔斯-纳巴罗)力。当柏氏矢量为b的位错在晶体中移动时，将由某一个对称位置移动到图中2位置。在这些位置，位错处在平衡状态，能量较低。而在对称位置之间，能量增高，造成位错移动的阻力。因此，位错移动时，需要一个力克服晶格阻力，越过势垒，此力称派纳力(PeierlsNabarro)，可表示如下 -2patp»2G1-neb(1-n)其中G为切变模，为泊桑比，a为晶面间距，b为滑移方向上原子间距。由公式可知a最大、b最小时p最小，故滑移面应是晶面间距最大的最密排面，滑移方向应是原子最密排方向，此方向b一定最小。除点阵阻力外，晶体中各种缺陷如点缺陷、其他位错、晶界和第二相粒子等对位错运动均会产生阻力，使金属抵抗塑性变形能力增强。 二 位错的攀移 刃型位错除可以在滑移面上滑移外，还可在垂直滑移面的方向上运动即发生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。通常把多余半原子面向上移动称正攀移，向下移动称负攀移，如图4。当空位扩散到位错的刃部，使多余半原子面缩短叫正攀移，如图4。当刃部的空位离开多余半原子面，相当于原子扩散到位错的刃部，使多余半原子面伸长，位错向下攀移称为负攀移，如图4。 图4 刃型位错的攀移正攀移原始位置负攀移 攀移与滑移不同，攀移时伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激话，比滑移需要更大能量。低温攀移较困难，高温时易攀移。攀移通常会引起体积的变化，故属非保守运动。此外作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移，由图4可见压应力将促进正攀移，拉应力可促进负攀移。晶体中过饱和空位也有利于攀移。攀移过程中，不可能整列原子同时附着或离开，所以位错(即多余半原子面边缘)要出现割阶，如图5。割阶是原子附着或脱离多余半原子面最可能的地方。刃型位错通过割阶沿图中箭头方向运动实现攀移。 图5 位错、割阶的运动 内容提要 对刃型位错，运动方式有滑移和攀移两种，而对螺型位错，则只能滑移，但由于其滑移面不是唯一的，故可进行交滑移或双交滑移。分析归纳位错运动的两种基本形式：滑移和攀移的特点。位错的滑移，位错的交滑移，位错的攀移，位错的交割，割阶，派纳力。