材料科学基础 第 三 章晶 体 缺 陷 (三)

1、第第 三三 章章 晶晶 体体 缺缺 陷陷 （三）（三） 位错的运动位错的运动 烟台大学烟台大学 秦连杰秦连杰 教授教授E-mail：3.2.3 位错的运动位错的运动 晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现，并且晶体的晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现，并且晶体的力学性能如强度、塑韧性和断裂等均与位错的运动有关。力学性能如强度、塑韧性和断裂等均与位错的运动有关。 原因：原因：位错运动是因它沿受力方向改变位置会使系统自由位错运动是因它沿受力方向改变位置会使系统自由能减少，位错实现运动要求它所受的力足以克服运动阻力。能减少，位错实现运动要求它所受的力足以克服运动阻力。 位错运动的两种基本形式：位

2、错运动的两种基本形式：保守运动滑移保守运动滑移（slip）和）和非保非保守运动攀移守运动攀移（climb）。）。3.2.3 位错的运动位错的运动 滑移（滑移（slipslip）: : 在一定的在一定的切应力的作用下，位错在滑移切应力的作用下，位错在滑移面上受到垂直于位错线的作用面上受到垂直于位错线的作用力。当此力足够大，足以克服力。当此力足够大，足以克服位错运动时受到的阻力时，位位错运动时受到的阻力时，位错便可以沿着滑移面移动，这错便可以沿着滑移面移动，这种沿着滑移面移动的位错运动种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移或者滑动。称为滑移或者滑动。 * *保守运动。滑移实际上是保守运动。滑移实际上是

3、指多个位错的行为指多个位错的行为3.2.3 位错的运动位错的运动 攀移（攀移（climbclimb）：刃型位错的位错线还可以）：刃型位错的位错线还可以沿沿着垂直于滑移面的方向移动着垂直于滑移面的方向移动，刃型位错的这种运动，刃型位错的这种运动称为攀移。也就是说只有刃位错才有攀移。称为攀移。也就是说只有刃位错才有攀移。 * *非保守运动，并引起位错的半原子面扩大非保守运动，并引起位错的半原子面扩大和缩小，因此攀移总是伴随着点缺陷的输运。和缩小，因此攀移总是伴随着点缺陷的输运。 除滑移和攀移还有交割（除滑移和攀移还有交割（cross/interactioncross/interaction）和扭折

4、（和扭折（kinkkink） 1、 位错的滑移位错的滑移 位错的滑移位错的滑移(slipping of disloction): 位错的滑移是在外加切应力作用下，通过位错位错的滑移是在外加切应力作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。 如如图图3-13 刃型位错的滑移过程刃型位错的滑移过程, 图图3-14 螺型位错的滑移过程螺型位错的滑移过程, 图图3-15 混合型位错的滑移过程混合型位错的滑移过程所示。所示。 刃型位错刃型位错： 对含刃型位错

5、的晶体加切应力，切应力方向平行于柏对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位置置(a)(a)移动到位置移动到位置(b)(b)。 当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b b的台阶的台阶。 刃型位错的柏氏矢量刃型位错的柏氏矢量 b b 与位错线与位错线 互相垂直，故滑互相垂直，故滑移面为移面为 b b 与与 决定的平面，它是决定的平面，它是唯一确定唯一确定的。刃

6、型位错的。刃型位错移动的方向与移动的方向与 b b 方向一致，和位错线垂直。方向一致，和位错线垂直。a、 位错的滑移之刃位错位错的滑移之刃位错(a) (b) (c)刃型位错的滑移滑移面滑移台阶* 位错线每前进一个原子间距，原子实际运动位错线每前进一个原子间距，原子实际运动距离不到一个原子间距。距离不到一个原子间距。位错滑移的比喻位错滑移的比喻b、 位错的滑移之螺型位错位错的滑移之螺型位错螺型位错：螺型位错： 沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右半部沿滑移面上下相对地移动了一个沿原子间距。这种位移半部沿滑移面上下相对地移动了一个沿原子间

7、距。这种位移随着螺型位错向左移动而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列。随着螺型位错向左移动而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列。 螺型位错的移动方向螺型位错的移动方向与与b垂直。此外因螺型位错垂直。此外因螺型位错b 与与t平平行，故行，故通过位错线并包含通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑的随所有晶面都可能成为它的滑移面移面。螺型位错的滑移 位错线每前进一个位错线每前进一个原子间距，原子实原子间距，原子实际运动距离不到一际运动距离不到一个原子间距。个原子间距。 当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉与之相交

8、的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉滑移，简称滑移，简称交滑移交滑移 对于对于螺型位错螺型位错，由于，由于所有包含位错线的晶面都所有包含位错线的晶面都可以成为它的滑移面可以成为它的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑，因此当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称为交滑，这一过程称为交滑移。如果移。如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动滑移面上继续运动，则称为，则称为双交滑移双交滑移。动画演示的。动画演示的就是螺型位

9、错双交滑移及其增殖模型的情形。就是螺型位错双交滑移及其增殖模型的情形。 任何类型的位错均可进行滑移任何类型的位错均可进行滑移. (1) 刃位错的滑移过程（教材图刃位错的滑移过程（教材图3.13） b、b 、滑移滑移方向方向 、滑移方向滑移方向b，刃型位错的滑移面就是位错线，刃型位错的滑移面就是位错线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移面是单型位错的滑移面是单一的一的。 (2) 螺型位错的滑移过程（教材图螺型位错的滑移过程（教材图3.14） b、b 、滑、滑移方向移方向 、滑移方向、滑移方向 b ，非单一滑移面，非单一滑移面。可发生交。可发生交滑移。滑移。 (

10、3) 混合位错的滑移过程（教材图混合位错的滑移过程（教材图3.15）沿位错线各点的）沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。c、位错的滑移、位错的滑移(slipping of disloction)总结总结小技巧：判断位错运动方向小技巧：判断位错运动方向 判断位错运动后判断位错运动后,它扫过的两它扫过的两侧的位移方向：根据位错线的正侧的位移方向：根据位错线的正向和柏氏矢量以及位错运动方向向和柏氏矢量以及位错运动方向来确定位错扫过的两侧滑动的方来确定位错扫过的两侧滑动

11、的方向。可用向。可用右手定则右手定则判断判断：食指指食指指向位错线正方向，中指指向位错向位错线正方向，中指指向位错运动方向，拇指指向沿柏氏矢量运动方向，拇指指向沿柏氏矢量方向位移的那一侧的晶体方向位移的那一侧的晶体。位错线方向2、 位错的攀移位错的攀移 位错的攀移位错的攀移( (climbing of climbing of disloctiondisloction):):在垂直于滑移面方在垂直于滑移面方向上运动向上运动 攀移的实质攀移的实质: :构成刃型位错多余半原子面的扩大和缩小，它构成刃型位错多余半原子面的扩大和缩小，它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。是通过物质迁移即原子或空位

12、的扩散来实现的。 刃位错的攀移过程刃位错的攀移过程: :如果有空位迁移到半原子面的下端，或如果有空位迁移到半原子面的下端，或者半原子面下端的原子扩散到别处时，半原子面缩小，即位者半原子面下端的原子扩散到别处时，半原子面缩小，即位错向上移动，称为错向上移动，称为正攀移正攀移；向下运动称为；向下运动称为负攀移负攀移。 注意：注意：只有刃型位错才能发生攀移只有刃型位错才能发生攀移，即位错在垂直于滑移面，即位错在垂直于滑移面的方向上运动。滑移不涉及原子扩散，而攀移必须借助原子的方向上运动。滑移不涉及原子扩散，而攀移必须借助原子扩散，因此攀移运动称为扩散，因此攀移运动称为“非守恒运动非守恒运动”。外加应

13、力对攀移。外加应力对攀移起促进作用，压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的起促进作用，压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的攀移。攀移。位错的攀移位错的攀移(a)正攀移正攀移 (b)原始位置原始位置 (c)负攀移负攀移刃型位错的攀移刃型位错的攀移 刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动即发刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动即发生生攀移攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。讨讨 论论 和和 练练 习习位错的滑移特征位错的滑移特征位错位错类型类型柏氏柏氏矢量矢量位错线位错线运动方向运动方向晶体滑移晶体滑移方向方向切应力切应力方向方向滑移面滑移面数

14、目数目刃型刃型位错位错螺型螺型位错位错混合混合位错位错位错线位错线位错线本身位错线本身与与b b一致一致与与b b一致一致唯一确唯一确定定位错线位错线位错线本身位错线本身与与b b一致一致与与b b一致一致多个多个成角度成角度位错线本身位错线本身与与b b一致一致与与b b一致一致（2 2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。（1 1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征。错特征。b b时为刃型位错，时为刃型位错，b b为螺型位错，为螺型位错，对于混合型位错，对于混合型位错，b b和和的角度在的角度在0 0和和9

15、090。（3 3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变。）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变。（4 4）位错线不能终止于完整晶体之中。）位错线不能终止于完整晶体之中。3、 位错的交割位错的交割 当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他位当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他位错交割（错交割（crosscross）。位错交割时会发生相互作用，这对材料的强）。位错交割时会发生相互作用，这对材料的强化、点缺陷的产生有重要意义。化、点缺陷的产生有重要意义。 位错的交割（位错的交割（crosscross）：）： （1 1）割阶与扭折（割阶与扭折（jog and kinkjog

16、 and kink） 割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时 扭折：曲折段在位错的滑移面上时扭折：曲折段在位错的滑移面上时 注：注： 刃型位错的割阶仍为刃型位错刃型位错的割阶仍为刃型位错, ,扭折为螺型位错。扭折为螺型位错。 螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。 刃型位错的扭折是一可动螺位错刃型位错的扭折是一可动螺位错, ,割阶也是一可动割阶也是一可动 的刃位错。螺型位错的扭折是可动的刃型位错的刃位错。螺型位错的扭折是可动的刃型位错, ,割割 阶是不可动的刃型位错。阶是不可动的刃型位错。（2 2）几种典型的位错交割）几种典型的位错交割

17、交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割（图（图3.20a3.20a）：）：PPPP为割阶为割阶, , b b2 2 PP PP, PP, PP大小和方向取决于大小和方向取决于b b1 1，为为刃型位错。刃型位错。 两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割（图（图3.20b3.20b） ： PPPP为扭折，为扭折， b b2 2 PP PP，QQ QQ 为扭折，为扭折， b b1 1 QQ QQ， PP PP 和和QQ QQ 都是螺位错。都是螺位错。 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和

18、螺型位错交割两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（图（图3.213.21）：）：MMMM为割阶为割阶, , b1 b1 MM MM, MM, MM大小和方向取大小和方向取决于决于b b2 2，为刃型位错。为刃型位错。NNNN为扭折，为扭折， b b2 2 NN NN， NNNN大小和方向取决于大小和方向取决于b b1 1，为刃型位错。为刃型位错。 两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割（图（图3.223.22）：）： MMMM和和NNNN均为刃型割阶。均为刃型割阶。 带割阶位错的运动带割阶位错的运动 如果割阶的高度只有如果割阶的高度只有12个原子间距，在外力足够

19、大的条个原子间距，在外力足够大的条件下，螺形位错可以把割阶拖着走，在割阶后面将会留下件下，螺形位错可以把割阶拖着走，在割阶后面将会留下一排点缺陷。一排点缺陷。 如果割阶的高度很大，能在如果割阶的高度很大，能在20nm以上，此时割阶两端的位以上，此时割阶两端的位错相隔太远，它们之间的相互作用较小，那它们可以各自错相隔太远，它们之间的相互作用较小，那它们可以各自独立地在各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面独立地在各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面上旋转，这实际也是在晶体中产生位错的一种方式。上旋转，这实际也是在晶体中产生位错的一种方式。 如果割阶的高度介于上述两种高度之间，位错不可能

20、拖着如果割阶的高度介于上述两种高度之间，位错不可能拖着割阶运动。在外力作用下，割阶之间的位错线弯曲，位错割阶运动。在外力作用下，割阶之间的位错线弯曲，位错前进就会在其身后留下一对拉长了的异号刃位错线段，也前进就会在其身后留下一对拉长了的异号刃位错线段，也称为位错偶。为降低应变能，这种位错偶常会断开而留下称为位错偶。为降低应变能，这种位错偶常会断开而留下一个长的位错环，而位错线仍恢复原来带割阶的状态，而一个长的位错环，而位错线仍恢复原来带割阶的状态，而长的位错环又常会再进一步分裂成小的位错环，这也是形长的位错环又常会再进一步分裂成小的位错环，这也是形成位错环的机理之一成位错环的机理之一。 运动位

21、错交割后运动位错交割后, ,都可以产生扭折或割阶都可以产生扭折或割阶, ,其大小和方向取其大小和方向取决与另一位错的柏氏矢量决与另一位错的柏氏矢量, ,其方向平行其方向平行, ,大小为其模大小为其模, ,但具原但具原位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平行行, ,则交割后该位错线不出现曲折。则交割后该位错线不出现曲折。 所有割阶都是刃位错所有割阶都是刃位错, ,而扭折可以是刃位错而扭折可以是刃位错, ,也可以是螺位也可以是螺位错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。 扭折与原位错在同一滑面上扭折与原位错在同一滑面上, ,可随主位错线一起运动可随主位错线一起运动, ,几乎几乎不产生阻力不产生阻力, ,且扭折在线张