材料科学基础 线缺陷.ppt

1 位错逐排依次运动 塑变 原子面整体滑移 塑变 理论强度远大于实测值 探求新理论 位错理论 计算强度值 实测值 二 线缺陷 2 1 刃位错 1 位错基本类型 形成畸变区 多出 或少了 半排原子面 用 或 表示 刃位错 正 上压下拉负 上拉下压 3 原子面部分错动一个原子间距 螺位错 不吻合过渡区 形成畸变区 纯剪切应力区 2 螺位错 4 3 混合位错 刃型位错分量 螺型位错分量 5 6 2 柏氏矢量 反映位错区畸变的方向与程度 1 柏氏矢量的求法 1 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 2 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 3 补一矢量 终点指向起点 使回路闭合 柏氏矢量 7 1 包含位错线做一封闭回路 柏氏回路 2 将同样的回路置于完整晶体中 不能闭合 3 补一矢量 终点指向起点 使回路闭合 柏氏矢量 8 1 满足右螺旋规则时 柏氏矢量与柏氏回路路径无关 唯一性 2 用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和 矢量和 可加性 3 同一位错 柏氏矢量处处相同 同一性 2 柏氏矢量特性 9 3 柏氏矢量表示法 对于立方晶系a b c 模 例 10 例 例 位错反应 11 4 三种位错柏氏矢量的特点 刃位错 垂直 主要是正应力 螺位错 平行 纯剪应力 混合位错 一定角度 复杂 12 5 位错正 负 左 右 的确定 刃位错 有晶体图时用右手法则 中指b方向 食指位错线方向 拇指 上正下负无晶体图时用旋转法 b顺时针方向转90 与位错线方向 顺正逆负 人为规定位错线方向 13 螺位错 有晶体图时与螺纹判断方法一致 左手左螺 右手右螺无晶体图时用旋转法 b与位错线方向 顺右逆左 正负 左右 均为相对而言 位错线方向改变 正负 左右随之改变 14 3 位错密度 单位体积晶体中所有位错线的总长度 穿过单位截面积的位错线数目 穿过单位面积的位错线根数 将位错简化为直线 cm cm3 1 cm2 4 位错的运动 滑移面 过位错线并和柏氏矢量平行的平面 晶面 是该位错的滑移面 位错的滑移运动 位错在滑移面上的运动 4 位错的运动 17 18 位错线运动方向 在滑移面上 并且位错线运动方向 位错线 以滑移面为分界面 x 所指向的那部分晶体必沿着的方向运动 19 a 位错逐排依次前进 实现两原子面的相对滑移 b 滑移量 柏氏矢量的模 c 外力 b 位错线 位错线运动方向 d 一定时 正 负位错运动方向相反 但最终滑移效果相同 e 滑移面唯一 20 正刃 负刃 左螺 右螺 21 位错滑移特征比较 一定角度 一定角度 混合位错 无限多个 螺位错 唯一 刃位错 22 2 攀移 1 方式 原子扩散离开 到 位错线半原子面缩短 伸长 正 负 攀移 空位扩散离开 到 位错线半原子面伸长 缩短 负 正 攀移 23 2 特点 a 刃位错垂直于滑移面运动 非守恒运动b 属扩散过程 需热激活 高温易出现 3 作用 原滑移面上运动受阻 攀移 新滑移面 滑移继续 攀移只能是刃位错才能发生 说明 攀移不是塑性变形的主要机制 可避开障碍物 便于滑移结论 攀移能力 影响滑移进行 进一步影响塑变能力 24 3 交滑移 1 方式 25 2 特点 3 作用 原滑移面上运动受阻 交滑移 新滑移面 滑移继续 交滑移只能是螺位错才能发生 说明 交滑移不是塑变的主要机制 可避开障碍物 便于滑移结论 交滑移能力 影响滑移进行 进一步影响塑变能力 交滑移 仍在滑移面滑移 守恒运动 26 攀移与交滑移比较 攀移 只能刃位错 非守恒运动 避开障碍物的方式 交滑移 只能螺位错 守恒运动 27 5 位错的力学性质 1 位错应力场与应变能 1 应力分量与应变分量 完全弹性体 服从虎克定律各向同性连续介质 可以用连续函数表示 对位错线周围r0以内部分不适用 畸变严重 不符合上述基本假设 28 a 单元体应力分量 正应力 xx yy zz切应力 xy yx xz zx yz zy xy 作用面垂直于x 方向为y 29 b 单元体应变分量 正应变 xx yy zz切应变 xy yx xz zx 30 c 柱坐标下分量 正应力 zz rr 切应力 z z zr rz r r 与直角坐标的关系 31 2 位错应力场 a 螺位错应力场 模型建立 结果 说明 仅有z方向的切应力 无正应力 切应力与 无关 随r增大而减小 化为直角坐标时 仅存在与z有关的切应力 厚壁圆桶 沿径向切开 沿z方向错动b 胶合 32 b 刃位错应力场 模型建立 结果 说明 既有正应力 也有切应力 与z轴有关的切应力均为零 厚壁圆桶 沿径向切开 沿x轴错动 b 胶合 33 3 位错应变能 单位长度螺位错应变能 单位长度刃位错应变能 单位长度混合位错应变能 其中 34 a 比较 wE wS b 一般公式 其中 为几何因素系数 约0 5 1 0 35 c 小结 位错 点阵畸变 应变能 b w 位错能量 越稳定 36 d 螺位错应变能公式的推导 柱坐标下单位体积应变能为 对于螺位错仅有 z不为零 故 对体积为V 长为L 的螺位错有 37 即 积分 得 38 2 作用在位错线上的力与位错线张力 1 作用在位错线上的力 2020 3 16 39 可编辑 40 a 公式推导 外力 使长为l的位错移动了ds 作功dw1 假想有一力F作用于位错上 则F作功dw2 有 单位长度位错线上的力 41 b 说明 Fd Fd bFd 位错线 指向未滑移区Fd为假象力 其方向与 不一定一致 如螺位错Fd 42 2 位错线张力 位错受力 弯曲 伸长 线张力 位错变直 能量 能量 a 线张力的概念 b 作用 使位错变直 降低位错能量相当于物质弹性 称之为位错弹性性质类似于液体的表面张力 43 c 公式 C 曲线形状因子 44 d 实例 两端固定位错在 下弯曲的问题 使位错弯曲 即r T使位错变直 即r 当二者平衡时 45 重要公式 46 3 位错间的交互作用与位错塞积 1 相互平行的位错之间的交互作用 同号位错相斥 体系能量下降 a 同号位错 47 异号位错相吸 b 异号位错 体系能量下降 异号位错合并 抵消或b减小 48 2 相互垂直的位错之间的交互作用 形成大小 方向等于对方b的割阶或扭折 割阶 不在原滑移面上的拐折 扭折 在原滑移面上的拐折 不稳定 易消失 不影响滑移 位错交割 位错交割的过程 有两个相互垂直的刃位错AB CD 假定CD不动 AB向右扫过其滑移面 晶体上下两部分发生b1的切变 CD被切成Cm和nD两段 并相对位移mn 整条位错线变为折线CmnD C D A B 交割前 C D m n b1 交割后 50 两柏氏矢量相互垂直的刃位错相互交截 51 刃位错 螺位错相互交截 3 位错塞积 位错与面缺陷的交互作用 53 位错滑移 障碍物 位错塞积 前端应力高度集中 交滑移 攀移 越过障碍物继续滑移 应力松弛 破裂 障碍物另侧塑变 54 6 位错的增殖 1 问题的提出 位错数量减少 位错划出晶体位错相互抵消 一定温度 位错数量一定 热力学平衡条件 变形 变形 位错数量 增殖机制 猜想 实际 55 弯曲 卷曲 分裂增殖 变直 2 弗兰克 瑞德源 F R源 a 增殖过程 56 b F R源开动的最小应力 F R源开动条件 推动力 外力 位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力 当外力作用在两端不能自由运动的位错上时 位错将发生弯曲 由位错线张力与外力平衡关系 即 弯曲半径r与外力 成反比 当位错弯曲成半圆时 r最小 最大 7 实际晶体中的位错 1 常见金属中的位错 分全位错和不全位错 1 全位错和不全位错 实际晶体中 位错的柏氏矢量应符合晶体的结构条件和能量条件 结构条件 柏氏矢量必须连接相邻两个原子平衡位置 能量条件 柏氏矢量必须使位错处于最低能量 58 7 实际晶体中的位错 由简单立方 深化到面心立方 体心立方和密排六方晶体中的位错 1 全位错与不全位错 1 实际晶体中的位错类型 简单立方 b 点阵矢量 只有全位错 实际晶体 b 点阵矢量 b 点阵矢量整数倍 全位错 其中b 点阵矢量 单位位错 b 点阵矢量整数倍 不全位错 其中b 点阵矢量 部分位错 59 60 2 形成单位位错的条件 结构条件 柏氏矢量为两原子平衡位置连线 能量条件 b越小 位错能量越小 稳定性越高 柏氏矢量 最短点阵矢量 bcc fcc hcp 61 2 堆垛层错 1 形成 密排堆垛次序有误 层错 面缺陷 62 复习 fcc bcc hcp的堆垛次序 63 fcc晶体的层错类型 抽出型 插入型 2 特点 畸变很小 但仍有畸变能 材料的层错能越低 层错数量越多 64 3 不全位错 以面心立方为例 局部区域层错 边界 b不等于点阵矢量 不全位错 65 肖克莱位错 柏氏矢量在滑移面上 可以滑移位错运动 相当于层错面的扩大或缩小肖克莱位错类型 刃位错 螺位错 混合位错位错线 柏氏矢量 滑移面共面 肖克莱位错线为平面曲线 66 弗兰克位错 柏氏矢量垂直于滑移面 不可滑移 只能攀移位错运动 相当于层错面的扩大或缩小弗兰克位错类型 纯刃位错可以是空间曲线 67 8 位错反应 位错的合并与分解 几何条件 能量条件 反应前后柏氏矢量和相等 方向 大小 反应后能量降低 判断方法 几何条件判断方法 求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和 能量条件判断方法 求反应前后各位错 b 2的和 68 例 几何条件 即 能量条件 满足几何条件和能量条件 反应可以发生 自发进行 即 69 例 几何条件 即 能量条件 满足几何条件和能量条件 反应可以发生 自发进行 即 101 a 2 011 a 2 110 a 2 例题1 3 4在单晶铝的 111 面上 有一柏氏矢量为 101 a 2的位错 在 111 面上有一柏氏矢量为 011 a 2的位错 两位错发生反应 试说明两位错反应后形成的新位错的性质 解 b b1 b2 101 a 2 011 a 2 110 a 2此位错为面心立方结构中的单位位错 位错线为 110 与 111 两晶面的交线 110 由于此位错的柏氏矢量在 001 面上 而 001 不是面心立方结构的滑移面 所以此位错是固定位错 111 111 71 三 面缺陷 晶界 孪晶界 相界 小角度晶界 大角度晶界 72 1 小角度晶界 1 类型 1 对称倾侧晶界 相邻晶粒各转 2 同号刃位错垂直排列 2 不对称倾侧晶界 相互垂直的两组刃位错垂直排列 73 3 扭转晶界 两组螺位错构成 74 2 小角度晶界特点 10 由位错构成位错密度 位向差 晶格畸变 晶界能 位错密度 决定位向差