材料科学基础位错反应和扩展位错.ppt

第 三 章 晶 体 缺 陷（六）实际晶体结构中的位错,烟台大学 秦连杰E-mail：,面心立方晶体中的典型位错,柏氏矢量,位错类型,位错线形状,可能运动方式,4.位错反应(dislocation reaction)：,4.位错反应,实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定的位错;具有不同b的位错线可以合并为一条位错线；反之，一条位错线也可以分解为两条或多条具有不同b的位错线。位错反应位错之间相互转换(即柏氏矢量的合成与分解)。,4.位错反应,位错反应能否进行取决于两个条件：几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。,能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量，这是热力学定律所要求的。,注意：b的方向与规定的的正向有关。所以位错反应中，一般规定反应前位错线指向节点，反应后离开节点。,一个位错分解成两个或多个具有柏氏矢量的位错，面心立方晶体中一个全位错分解成两个肖克莱不全位错。,两个或多个具有不同柏氏矢量的不全位错合并成一个全位错，一个肖克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合并成一个全位错。,两个全位错合并成另一全位错。,两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：,4.位错反应,上例中：,结构条件：,满足,能量条件：,满足,反应能进行,4.位错反应,例：fcc中，柏氏矢量为 的位错能否分解成单位位错？,结构条件：,满足,能量条件：,满足,4.位错反应,5.面心立方晶体中的位错,Thompson四面体：可以帮助确定fcc结构中的位错反应。,1)汤普森四面体,1)汤普森四面体,(b)四面体外表面中心位置,c）汤普森四面体的展开,1)汤普森四面体,用于表示fcc晶体中的位错反应,Thompson四面体在fcc晶胞中的位置：D点在坐标原点，其余顶点的坐标分别为，A(1/2,0,1/2)，B(0,1/2,1/2)，C(1/2,1/2,0)。四面体4个外表面（等边三角形）的中心分别用、表示，并分别对应A、B、C、D四个顶点所对的面。这样A、B、C、D、等8个点中的每2个点连成的向量就表示了fcc晶体中所有重要位错的柏氏矢量。,1)汤普森四面体,1)汤普森四面体,由四面体顶点A、B、C、D（罗马字母）连成的向量：,罗-罗向量就是fcc中全位错的12个可能的柏氏矢量,1)汤普森四面体,1、罗-罗向量,由四面体顶点（罗马字母）和通过该顶点的外表面中心（不对应的希腊字母）连成的向量：,这些向量可以由三角形重心性质求得,不对应的罗-希向量是fcc中24个Shockley不全位错的柏氏矢量,2、不对应的罗-希向量,4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个1/3111型的滑移矢量。根据矢量合成规则可以求出对应的罗希向量：,对应的罗希向量就是fcc中8个Frank不全错的柏氏矢量。,3、对应的罗-希向量,所有希希向量也都可以根据向量合成规则求得：,同理可得：,希希向量就是fcc中压杆位错的柏氏矢量。,4、希-希向量,2)扩展位错,面心立方中扩展位错的进一步解释：,正常堆垛ABCABC.,B位置到C位置：ABCACB.，层错,2)扩展位错,由一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。,面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为 的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。,如图(111)面上的圆球位置为A层位置，B层和C层的原子分别处于三个A层原子位置的低谷位置。,a)全位错的滑移,若单位位错 在切应力作用下沿着(111)在A层原子面上滑移时，则B层原子从B1位置滑动到相邻的 B2位置，点阵排列没有变化，不存在层错现象。但需要越过A层原子的“高峰”，这需要提供较高的能量。,面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为 的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。,但如果滑移分两步完成，即先从 B1位置沿A原子间的“低谷”滑移到邻近的C位置，即；然后再由C滑移到另一个 B2位置，即，这种滑移比较容易。,b)及 分位错的滑移及其间的层错,而第二步从C位置再移到B位置时，则又恢复正常堆垛顺序。,每一步滑移造成了层错，因此，层错区与正常区之间必然会形成两个不全位错。故 和 为肖克莱不全位错。也就是说，一个全位错 分解为两个肖克莱不全位错 和，全位错的运动由两个不全位错的运动来完成，即,这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行的，因为,几何条件：,能量条件：,2)扩展位错,分解后的这两个不全位错位于同一滑移面上，其柏氏矢量夹角是60，它们是互相排斥的，有分开的趋势，在两个不全位错之间夹了一片层错区。通常我们将这种两个不全位错夹一个层错区的组态称之为扩展位错。,B,B,B,B,B,B,C,C,A,C,C,A,b1,b2,b3,C,b1=b2+b3+SF,2)扩展位错,（1）扩展位错的宽度,为了降低两个不全位错间的层错能，力求把两个不全位错的间距缩小，则相当于给予两个不全位错一个吸力，数值等于层错的表面张力（即单位面积层错能）。两个不全位错间的斥力则力图增加宽度，当斥力与吸力相平衡时，不全位错之间的距离一定，这个平衡距离便是扩展位错的宽度 d。,面心立方晶体中的扩展位错,当 f 与层错能相等时，处于平衡 扩展位错的宽度:,层错能，扩展宽度d，相反则。,两个平行不全位错之间的斥力,（1）扩展位错的宽度,纯螺位错在 面上分解,运动过程中，若前方受阻，两个偏位错束集成全位错。当杂质原子或其它因素使层错面上某些地区的能量提高时，该地区的扩展位错就会变窄，甚至收缩成一个结点，又变成原来的全位错，这个现象称为位错的束集。束集可以看作位错扩展的反过程。,（2）扩展位错的束集,在外力作用下，扩展位错收缩成原来的全位错的过程称为束集。,（2）扩展位错的束集,由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进行交滑移，扩展位错必须首先束集成全螺位错，然后交滑移到 面上，重新分解成新的扩展位错，继续运动。,总结：在实际晶体中，由于扩展位错的形成，螺位错的交滑移比全位错的交滑移要困难得多，必须经束集后才能进行。晶体层错能越低，扩展位错的宽度越大，束集越困难，不易交滑移，因此晶体的变形抗力越大。,（3）扩展位错的交滑移,扩展位错的交滑移过程,（3）位错网络 Dislocation network,实际晶体中存在几个b位错时会组成二维或三维的位错网络,面上有扩展位错：,在相交滑移面上两个扩展位错的领先位错相遇而成,即（a）BDC面上：,即（d）ABC面上：,4.面角位错(L-C位错、压杆位错),反应过程,滑移面：,Lomer-Cottrell位错，面角位错,4.面角位错(L-C位错、压杆位错),该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错中的一个不全位错到达交线BC时，发生位错反应：,B+B,新位错1/6110的柏氏矢量在（001）面上，滑移面是（001），因此是固定的纯刃型位错。,另外，它还带着两片分别位于（111）和（111）面上的层错以及两个不全位错，在两个（111）面的面角上，这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为LomerCottrell位错,另外，它还带着两片分别位于（111）和 面上的层错以及两个不全位错，在两个（111）面的面角上，这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为LomerCottrell位错,面心立方结构中，在 和 面上有两个全位错b1和b2：,4.面角位错(L-C位错、压杆位错),两个全位错b1和b2发生分解，形成扩展位错：,4.面角位错(L-C位错、压杆位错),在外力作用下，两个扩展位错向两个滑移面的交线处滑移。两个领先不全位错b12和b21在交线110处相遇，发生合成反应：,面角位错,反应生成两面一夹角组态的面角位错。,4.面角位错(L-C位错、压杆位错),例 题 一,若面心立方晶体中有 的单位位错及 的不全位错，此二位错相遇后发生位错反应。问：,1、此位错反应能否进行？为什么？2、写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的性质。,例 题 二,试分析在FCC中，下列位错反应能否进行？并指出其中三个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？,在A1的单晶体中，若(111)面上有一位错 与 面上的位错 发生反应时，(1)写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位 错反应进行的方向，(2)说明新位错的性质；,例题 三,解：(1),位错反应可以向右进行,（2）新位错为面心立方点阵的单位位错，其位错线为（111）与 两个晶面的交线，新位错为刃型位错，其滑移面为（001），对于面心立方点阵，这新位错为固定位错。,(1)bcc 滑移面有111 112 113 单位位错 b=a/2111bcc中易发生交滑移，没有扩展位错，没有位错分解(2)hcp 全位错(3)关于离子晶体的位错、共价晶体中的位错、高分子晶体中的位错请参考教材及有关资料。,6.其他晶体中的位错,练 习 四,