位错反应与层错理论

位错反应和层错机理 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 dislocationreaction 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 一 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 位错反应判据 一个位错分解成两个或多个具有不同柏氏矢量的位错 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 位错反应类型 FCC中 以全位错分解成两个肖克莱位错为例 结构条件 满足 能量条件 满足 位错反应判据详解 Thompson四面体 可以帮助确定fcc结构中的位错反应 沿 111 面 定义每个面的中点坐标为 汤普森四面体 b 四面体外表面中心位置定义 为ABC面中点 为BCD面中点 为ABD面中点 为ACD面中点 汤普森四面体 实例计算 汤普森四面体的展开 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 汤普森四面体位点解释 汤普森四面体位点坐标 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 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 3 111 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Dislocationnetwork 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 6 110 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Lomer Cottrell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