第3章晶体缺陷(2)-位错的基本类型与特征

1、第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷引引 言言 晶体缺陷概述及类型晶体缺陷概述及类型第一节第一节 点缺陷点缺陷第二节第二节 位错位错-线缺陷线缺陷第三节第三节 表面及界面表面及界面第二节第二节 位位 错错2.1 位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征2.2 位错的运动与弹性性质位错的运动与弹性性质2.3 实际晶体中的位错实际晶体中的位错2.1 位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征一、位错与塑性变形一、位错与塑性变形二、晶体中的位错模型二、晶体中的位错模型三、柏氏矢量三、柏氏矢量一、位错与塑性变形一、位错与塑性变形 人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存

2、在着位错。晶体中存在着位错。 1 1、塑性变形、塑性变形 塑性变形塑性变形是晶体在外力作用下产生的永久变形。是晶体在外力作用下产生的永久变形。 滑移滑移是塑性变形的基本方式，它是在切应力作用是塑性变形的基本方式，它是在切应力作用下进行的。下进行的。 滑移：滑移：各部分晶体相对滑动的结果使晶体的尺寸各部分晶体相对滑动的结果使晶体的尺寸沿着受力方向拉长，直径变细，这样的过程称滑移。沿着受力方向拉长，直径变细，这样的过程称滑移。 图图 单晶试棒在拉伸应力作用下单晶试棒在拉伸应力作用下的变化（宏观）的变化（宏观）（a）变形前）变形前（b）变形后）变形后图图 外力作用下晶体滑移示意图（微观）外力作用下晶

3、体滑移示意图（微观）2、理想晶体的滑移模型、理想晶体的滑移模型（1）理论抗剪屈服强度）理论抗剪屈服强度 滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑移面上原子的作用力前进一个原子间距，完成这一过程所移面上原子的作用力前进一个原子间距，完成这一过程所需的切应力就相当于晶体的理论抗剪屈服强度需的切应力就相当于晶体的理论抗剪屈服强度m。（2）理论抗剪屈服强度与晶体的切变模量的关系）理论抗剪屈服强度与晶体的切变模量的关系 原子的结合键能与弹性模量有很好的对应关系，因此原子的结合键能与弹性模量有很好的对应关系，因此理论抗剪屈服强度理论抗剪屈服强度m应与晶体

4、的切变模量应与晶体的切变模量G的大小有一定的大小有一定的关系，根据推算两者之间大致的为：的关系，根据推算两者之间大致的为：30Gm3、位错概念的引出、位错概念的引出 （1）实际抗剪屈服强度与理论抗剪屈服强度之间存）实际抗剪屈服强度与理论抗剪屈服强度之间存在巨大差异。在巨大差异。 （2）实际强度与理论强度的巨大差异，使人们对理）实际强度与理论强度的巨大差异，使人们对理想晶体的整体滑移方式产生怀疑，认识到晶体中原子排想晶体的整体滑移方式产生怀疑，认识到晶体中原子排列绝非完全规则，滑移也不是两个原子面之间集体的相列绝非完全规则，滑移也不是两个原子面之间集体的相对移动。对移动。 （3）晶体内部一定存在

5、着很多缺陷，既薄弱环节，）晶体内部一定存在着很多缺陷，既薄弱环节，使塑性变形过程在很低的应力下就开始进行，这种内部使塑性变形过程在很低的应力下就开始进行，这种内部缺陷就是缺陷就是位错位错。 （4）位错的概念及模型很早就已经提出，但直到）位错的概念及模型很早就已经提出，但直到20世纪世纪50年代中期透射电子显微技术的发展证实了晶体中年代中期透射电子显微技术的发展证实了晶体中位错的存在。位错的存在。以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。完整晶体塑性变形完整晶体塑性变形-滑移的模型滑移的模型金属晶体的理论强度金属晶体的理论强度完整理论强度

6、比实测强度高出几个数量级完整理论强度比实测强度高出几个数量级晶体缺陷的设想晶体缺陷的设想 线缺陷（位错）的模型线缺陷（位错）的模型二、晶体中的位错模型二、晶体中的位错模型 晶体中位错的基本类型分为晶体中位错的基本类型分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。 实际上位错往往是两种类型的复合，实际上位错往往是两种类型的复合，称为称为混合位错混合位错。图图 刃位错示意图刃位错示意图 1、刃位错、刃位错 形成及定义：形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用作用下，以下，以ABCD面为滑移面发生滑移。面为滑移面发生滑移。EF是晶体是晶体已滑移已滑移部分和未滑移部分的交线部分和

7、未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错。刀刃，即刃位错。 分类：分类：正刃位错，正刃位错， “ ” ；负刃位错，；负刃位错， “T” 。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 几何特征：几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；位错线与原子滑移方向相垂直； 正刃位错：滑移面上部位错线周围原子正刃位错：滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正

8、常晶格间距。常晶格间距。 刃型位错的特点：刃型位错的特点： 1)刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。分只具相对意义而无本质的区别。 2)刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。 3)滑移面必定同时包含位错线和滑移矢量，其它面滑移面必定同时包含位错线和滑移矢量，其它面上不能滑移。上不能滑移。图图 不同形

9、状的刃型位错不同形状的刃型位错图图 螺位错形成示意图螺位错形成示意图 2、螺位错、螺位错 （a）立体图；）立体图； （b）顶视图）顶视图图图 螺型位错的原子组态螺型位错的原子组态图图 螺型位错原子模型及其形成示意螺型位错原子模型及其形成示意形成及定义：形成及定义：晶体在外加切应力晶体在外加切应力 作用下，沿作用下，沿ABCD面面滑移，图中滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。旋形坡面，故称为螺位错。几何特征：几何特征：位错线与原子滑移方向相平行

10、；位错线周位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。围原子的配置是螺旋状的。分类：分类：有左、右旋之分，分别以符号有左、右旋之分，分别以符号“ ”和和“ ”表表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则。旋定则。 位错的特征归纳：位错的特征归纳： （1）可以把位错定义为晶体中以滑移区与未）可以把位错定义为晶体中以滑移区与未滑移区的边界。滑移区的边界。 （2）刃型位错不仅仅指刀刃处的一条原子，）刃型位错不仅仅指刀刃处的一条原子，而是刀刃处这

11、列原子及其周围区域。而是刀刃处这列原子及其周围区域。 （3）刃型位错中，晶体发生局部滑移的方向）刃型位错中，晶体发生局部滑移的方向（或滑移矢量）是与位错线垂直的。（或滑移矢量）是与位错线垂直的。 （4）螺型位错中，晶体发生局部滑移的方向）螺型位错中，晶体发生局部滑移的方向（或滑移矢量）是与位错线平行的。（或滑移矢量）是与位错线平行的。 在外力在外力 作用下，两部分之间发生相对滑作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向，这样的位错称既不垂直也不平行滑移方向，这样的位错称为混合位错。为混合位错。 位错线上任意一

12、点，经矢量分解后，可位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。同而已。3 3、混合位错、混合位错（a）混合位错的形成）混合位错的形成（b）混合位错分解为刃位）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图错和螺位错示意图（c）混合位错线附近）混合位错线附近原子滑移透视图原子滑移透视图4、位错的易动性、位错的易动性 根据位错模型，晶体中有了位错，滑根据位错模型，晶体中有了位错，滑移就

13、十分容易进行。移就十分容易进行。 位错按滑移的方式发生塑变要比两个相位错按滑移的方式发生塑变要比两个相邻原子面整体相对移动容易得多，因此晶体邻原子面整体相对移动容易得多，因此晶体的实际强度比理论强度低得多。的实际强度比理论强度低得多。 螺型位错的情况与刃型位错一样具有易螺型位错的情况与刃型位错一样具有易动性。动性。刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动混合位错混合位错的运动的运动三、位错的柏氏矢量三、位错的柏氏矢量 柏氏矢量：柏氏矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。相对于另一侧质点的相对位移或畸变。性质：性质：大

14、小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致（移方向一致（滑移矢量滑移矢量）。）。 柏氏柏氏(Burgers)矢量是一个矢量，具有方向和矢量是一个矢量，具有方向和大小；这个物理参量能把位错区原子的畸变特征大小；这个物理参量能把位错区原子的畸变特征表示出来，包括畸变发生在什么晶向以及畸变有表示出来，包括畸变发生在什么晶向以及畸变有多大（多大（畸变矢量畸变矢量） 。1、柏氏矢量的概念与性质、柏氏矢量的概念与性质 2、柏氏矢量的确定方法、柏氏矢量的确定方法 （1）首先在）首先在实际晶体中实际晶体中围绕位错线做一个一定围绕位错线做一个一定大小的回路，称柏氏回路。

15、显然该回路包含了位错大小的回路，称柏氏回路。显然该回路包含了位错的畸变。的畸变。 （2）然后将同样大小的回路置于）然后将同样大小的回路置于理想晶体中理想晶体中；回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就是该位错线的柏氏矢量。能封闭，这个矢量就是该位错线的柏氏矢量。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，并与滑移刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，并与滑移面平行；螺型位错的柏氏矢量与位错线平行。面平行；螺型位错的柏氏矢量与位错线平行。图图 柏氏矢量的确定柏氏矢量的确定 图图 刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定图图 螺型位错柏氏矢量的

16、确定螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定(a) (a) 有位错的晶体有位错的晶体 (b) (b) 完整晶体完整晶体 柏氏矢量 （1）柏氏矢量描述了位错线上原子的畸变）柏氏矢量描述了位错线上原子的畸变特征：畸变的方向与大小。特征：畸变的方向与大小。 （2）柏氏矢量的另一个重要意义：滑移矢）柏氏矢量的另一个重要意义：滑移矢量。量。 3、柏氏矢量的意义、柏氏矢量的意义 4、柏氏矢量的守恒性、柏氏矢量的守恒性 对一条位错线而言，其柏氏矢量是固定不变对一条位错线而言，其柏氏矢量是固定不变的，此即位错的柏氏矢量的守恒性。的，此即位错的柏氏矢量的守恒性。推论：推论： 1.一条位

17、错线只有一个柏氏矢量。一条位错线只有一个柏氏矢量。 2.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的柏氏矢量之和。必然等于离开节点的各位错的柏氏矢量之和。5、柏氏矢量的表示方法、柏氏矢量的表示方法 柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，只不过晶柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，只不过晶向指数没有向指数没有“大小大小”的概念，而柏氏矢量必须在晶向的概念，而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢量的模也表示出来，因此要同时标指数的基础上把矢量的模也表示出来，因此要同时标出该矢量在各个晶轴上的分量。出该矢量在各个晶轴上的分量。 uvwna222wvunab柏氏矢量的一般表达式为：柏氏矢量的一般表达式为：其模则为：其模则为：类型类型 柏氏向量柏氏向量 位错线位错线运动方向运动方向 晶体晶体滑移方向滑移方向 切应力切应力方向方向 滑移面滑移面个数个数 刃型位错刃型位错于位错于位错线线于位错于位错线本身线本身与与b一致一致与与b一致一致唯一唯一螺型位错螺型位错于位错线于位错线于位错于位错线本身线本身与与b一致一致与与b一致一致多个多