实际晶体中位错的行为.pptVIP

本节要点： 掌握扭折与割阶的概念 学会判断割阶的位错类型 学会判断可动割阶与不可动割阶 9.2 位错的弯折与割阶 9 实际晶体中位错的行为 基本概念 林位错：穿过某一晶面的若干位错，称为这个晶面的林位错。 位错的交割（或交截）：两个位错交叉通过的行为。 位错相互交割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折 线有两种： 割阶：垂直滑移面的折线，在位错运动中不消失。 扭折：在滑移面上的折线，在位错运动中能消失。 9.2 位错的弯折与割阶 9 实际晶体中位错的行为 如何判断扭折是否是割阶？ 判据：交割后折线段的滑移面是否与原位错的滑移面重合 ， 若重合则可在位错运动中消失，扭折； 若不重合则叫割阶。 割阶按是否可以随原位错一起滑动又分为可动割阶和不可 动割阶。 折线段的滑移面是交割后的折线段与其柏氏矢量构成的平 面。 AB与CD交割，产生 折线段OO，其柏氏 矢量同于b2，是型刃 位错，长度为|b1| b2与b1和AB的滑移 面S1法线垂直，故 AB被CD切割后，不 会发生扭折。 (1) 柏氏矢量相互垂直的两刃型位错的交割 几种典型的位错交割 基本概念 刃 9 实际晶体中位错的行为 模型。 （2）柏氏矢量平行的两刃型位错的交割(b1=-b2) PP=|b1|，PP与其柏氏矢量b2同向，是螺型位错，滑移面与AB相同，所以 PP是扭折，可消失 ； QQ=|b2|，与PP相同，可消失. S1 S1 v 几种典型的位错交割 刃 基本概念 9 实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶 折线段O2O2=|b1|， O2O2与其柏氏矢量b2同向，是螺型位错，滑移面与CD相 同，所以O2O2是扭折，可消失 ； 同理O1O1也是扭折. （2）柏氏矢量平行的两刃型位错的交割（b1=b2） 几种典型的位错交割 9 实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶 （3）刃型位错与螺型位错的交截 柏氏矢量为b1的刃型位 错AB，与螺型位错CD 交割后，分别形成割阶 O1O 1与O2O2 ; O1O 1与b1垂直，为刃 型位错，滑移方向与原 位错相同，故为可动割 阶； O2O2 在螺型位错的滑 移面上，螺位错运动时 可被拉直，是扭折. 基本概念 9 实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶 （4）两螺型位错的交割 柏氏矢量相互垂直的两螺型位错 CD被AB交割后形成割阶OO，为刃型位错，滑移面为OO 与b2构成的平面S3，只能随着CD攀移，难以运动； AB被CD交割情况同上。 基本概念 （5）刃型位错与刃型林位错的交割 AB与CD交割后 : OO =b1 ; bOO =b2 ; 刃型位错：被交割后必产生扭折或可动割 阶。 螺型位错：被交割后产生的割阶必为刃型 位错且为不动割阶。 小结 带割阶的位错运动 刃型位错：被交割后形成割阶的可滑移方 向与原位错的滑移方向一致，因而是可动 割阶，但由于位错线变长，且割阶的可滑 移方向未必是易滑移方向，位错运动的阻 力增加。 螺型位错：割阶只能攀移，不能滑移，阻 力大，甚至可钉扎位错。 9 实际晶体中位错的行为 9.2 位错的弯折与割阶 1. 带小割阶的位错运动 小割阶大小为12个原子间距。 （a）位错变长，运动阻力增加； （b）小割阶不动，位错沿着滑移面 运动； （c）外力足够大，割阶攀移，后面 留下空位或间隙原子。 刃型位错正攀移留下间隙原子；负攀 移留下空位。 左螺位错 1. 带小割阶的位错运动 9 位错的交割与割阶 9.3 带割阶的位错运动 比尔弼法则 1.根据螺位错类型选择左右手; 2.手臂指向为刃位错线方向; 3.拇指指向柏氏矢量方向,则手掌所在面必为 刃位错滑移面; 4.手背朝向多余半原子面. 2. 带位错偶极的位错运动 割阶大小为几个到20个原子间距。 OO和PP符号相反的刃型位错称为 位错偶极。 3. 带大割阶的位错运动 割阶大小为2030个原子间距，称为 大割阶。 钉扎作用显著，割阶以外的位错相距 极远，其间的应力场交互作用甚小， 各自在S1、S2上滑动。 10 位错的增殖与萌生 10.1 位错的形成 在晶体形成过程中会产生大量，有如下三种途径： （1）在凝固过程中形成 （2）由晶体在冷却时形成的局部内应力所造成 （3）由空位聚集形成 （1）在凝固过程中形成 树枝状晶体生长相遇后发生碰撞； 液体流动时对晶体的冲击，使晶体表面发 生错排形成大台阶； 浓度起伏造成点阵常数的偏差； 结晶前沿障碍物造成不同部分的位相差。 （2）由晶体在冷却时形成的局部内应力所造成 半径R的夹杂物对基体产生压力，在110方向 产生分切应力，应力足够大时，产生一小段位 错CAB，其柏氏矢量为1/2110。 （111 ） (c) C，B处分别是右左螺 型位错; (d) 异号螺位错相遇抵消 ，产生一个位错环。 CB 右螺位错 左螺位错 （3）由空位聚集形成 在高温时，晶体中的空位浓度很高，有聚 集成片以降低组台能的趋势，晶体中空位 片足够大时两边晶体塌陷下来，在周围形 成位错环。 面心立方晶体中，空位常在111晶面上聚 集成片。该位错环是刃型位错。 10 位错的增殖与萌生 10.2 位错的增殖 （1）弗兰克-瑞德增殖机理 以正刃型位错AB为例： 位错受力大小：F=tb 位错受力方向：垂直位错 各点受力相同，各点线速度相同，离A、B越近，角速度大，形成点弯 曲。 受力分析 位错线上各点性质不同： 2、4 负刃位错 6正刃位错 1、5右螺型位错 3、7左螺型位错 AB位错线段是一个位错的增值机构,在外力作用 下能源源不断地产生位错环。 t t 符合上述增殖原理的增殖机制，叫弗兰克-瑞德位 错源，简称F-R源，又叫U型平面位错源。 P118 实际的例子。 单边F-R源机制，也叫L平面源 AB是在滑移面上可动位错，BC不动位错，B点被固定。 外力作用下，AB开始滑移，AB绕B转动，不断向外扩展，向外 扩展的旋转线，扫过滑移面一遍，相当于一个位错扫除晶体，发 生柏氏矢量b的滑移。 单边F-R源机制 t t 单边F-R源机制，也叫L平面源 AB是在滑移面上可动位错，BC不动位错，B点被固定。 双交滑移平面源 （111 ） （2）位错源的开动受力分析 若F-R源中AB长L,使AB弯曲的最小曲率半径r=L/2，对 应临界应力为： 此结果与实际情况非常相符。 参考8.4.3 位错的受力 8.4.3 位错的受力 8.4 位错的弹性性质 2.位错的线张力T dq tb dl 外加应力t作用在位错dl上的力： T T 线张力与F(t)相反方向产生F(T)： F(t)与F（T）平衡： 则： 位错的总应变能与位错的长度成正比，所以位错线有尽量缩短长度自动变 直的趋势，好像有个张力，这个力就是位错的线张力，定义为：使位错线 增长一定长度dl所作的功W，等于位错的应变能。 r 在简单立方结构中的位错，其 b 总是等于点阵 矢量。实际晶体中根据柏氏矢量的不同，可把位错 分为以下几种形式； （1） b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。 （2） b等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错” （3） b 不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位 错”或称“部分位错” 9 实际晶体中位错的行为 9.3 全位错能量条件与滑移系统 FCC全位错原子排列示意图，图面为（111）面 柏氏矢量可用数字及符号表示 对fcc晶体，110是原子最密排的晶向，此晶向相邻两原子在三 坐标轴上的投影为a/2、a/2、0，故单位位错柏氏矢量: bcc hcp 柏氏矢量可以相加，设 = 1+ 2，其中 1=100， 则 本节只讨论面心立方金属中的位错 层错区与完整晶体的交界处，为“不全位错”。 1肖克莱（Shockley）不全位错如图，为fcc晶体的（ ）面， 使A层以上原子相对于C层作滑移，使ABCAB，此 时滑移是不均匀的，即滑移中止在晶体内部，这样就在局部 地区形成层错。其与完整晶体的交界区域即为Shockley不全 位错。 特征：（1） （2） ，且垂直于位错线，为纯刃型 ，也可为纯螺型或混合型 （3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆 垛层错的111面上滑移，引起层错面的扩 散或收缩，但不能离开层错面。 2弗兰克（Frank）不全位错 在fcc晶体中插入或抽 走一层（111）面，就会形成堆垛层错。若插入或抽 走的只是一部分，层错与完整晶体边界即所谓“Frank 位错”。如图6-60，为插入型弗兰克不全位错（叫正 弗兰克不全位错），抽出型如图6-61（叫负弗兰克 不全位错）。 正弗兰克位错可由填隙原子聚集成园盘而形成 负弗兰克位错可由空位盘崩塌而形成。 特征：1） ， b与层错面和位错 线垂直，故是纯刃型 2）只能攀移，而攀移必须借助原子的扩散， 故运动困难，称为固定位错。 不全位错的柏氏矢量亦可通过柏氏回路的方法 确定，但回路的起点应选择在层错面上。 3.位错反应与扩展位错 (1) 位错反应 位错除相互作用外，还可能发生分解或合成，即位错反应。位 错反应有两个条件。 1）几何条件：反应前各位错柏氏矢量之和应等于反应后各 之和 即 前= 后 2）能量条件：能量降低的过程 Eb2 b2前b2后 1953年汤普森（N. Thompson）引入参考四面体和一套标记来 描述fcc金属中位错反应，如图6-62。将四面体以ABC为底 展开，各个线段的点阵矢量，即为汤普森记号，它把fcc金属 中重要滑移面、滑移方向、柏氏矢量简单而清晰地表示出来 。 汤普森（N. Thompson）四面体 图中四面体的六个棱AB、DC为全位错的柏氏矢量 a、b为弗兰克不全位错 A、D为肖克莱不全位错 （a）=（ ） （b）=（ ） （c）=（ ） （d）=（111）为fcc中四个可能滑移面。 如：DADr + rA 即 几何条件：右边两个不全位错的 b 在x, y, z轴上分量代数和 等于左边全位错 b 。 能量条件： 故反应能进行 (2) 扩展位错 一个全位错分解为两个肖克莱不全位错，中间夹着一片层错， 它们组合在一起，叫“扩展位错”。 b 1= b 2+ b 3+层错。 如图，设想fcc晶体中的位错线在切应力作用下， 沿着（111） 1，0，-1 滑移系在B层与C层之间滑移，原子由C 移至C有两种途径。 一是由C直接移至C（即全位错的移动），需提供较高能量。 另是先从C经一低低谷至A，再滑至C位置（相当于肖克莱 不全位错的滑动），后者平坦，易进行，但两者效果相同 ，这个过程可表示为： b 1= b