金属学与热处理位错

1、2.3 线缺陷线缺陷 位错模型的提出位错模型的提出背景背景 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金属晶体的理论强度的理论强度理论强度比实测强度高出几个数量理论强度比实测强度高出几个数量级级 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 以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基以位错滑移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。本相符。二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错）dislocation 位错：位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 意义：意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂（对材料的

2、力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）大影响。） 位错的提出：位错的提出： 1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度 与实测临界切应力的巨大差异（与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。个数量级）。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。年，柯垂耳提出溶质原子

3、与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。直接观察到了晶体中的位错。n一、位错的类型一、位错的类型n二、位错的伯格斯矢量二、位错的伯格斯矢量(Burgers vector ) 及位错的性质及位错的性质 n三、位错的运动三、位错的运动n四、位错的弹性性质四、位错的弹性性质n五、实际晶体中的位错五、实际晶体中的位错一、位错的类型一、位错的类型 根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错刃位错、螺位错

4、和混合位错。 （一）刃位错（一）刃位错 形成及定义形成及定义（图图2-4） ： 晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以作用下，以ABCD面面为滑移面发生滑移。为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。即刃位错（或棱位错）。模型：模型：滑移面滑移面/半原子面半原子面/位错线位错线 （位错线（位错线晶体滑晶体滑移方向，位错线移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向，晶体滑移方向/位错运动方向。）位错运动方向。） 分类：分类：正刃位错，正

5、刃位错， “ ” ；负刃位错，；负刃位错， “T” 。符号。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。图图2-4 刃位错示意图刃位错示意图 （二）、螺位错 形成及定义形成及定义（图（图2-5） ： 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面滑移，图面滑移，图中中BC线为已滑移区与未滑移区的分界处。在线为已滑移区与未滑移区的分界处。在BC与与aa线之间上下两层原子发生了错排现象，连接紊乱线之间上下两层原子发生了错排现象，连接紊乱区原子，会画出一螺旋路径，该路径所包围的管状原区原子，会画出一螺旋路径，该路径所包围的管状原子畸变区就

6、是螺型位错。子畸变区就是螺型位错。模型：模型：滑移面滑移面/位错线（位错线位错线（位错线/晶体滑移方向，位错线晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向。）位错运动方向。） 分类：分类：有左、右旋之分，分别符合左手、右手螺旋定则。有左、右旋之分，分别符合左手、右手螺旋定则。图图2-5 螺位错形成示意图螺位错形成示意图 在外力在外力 作用下，两部分之间发生相对作用下，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滑移，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（柏氏矢交线既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢量量b），这样的位错称为混合

7、位错。如），这样的位错称为混合位错。如图图2-6所示。所示。 位错线上任意一点，经矢量分解后，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。晶体中位可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，但位错线上各错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的柏氏矢量相同，只是各点的刃型、螺点的柏氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。型分量不同而已。 （三）、混合位错（三）、混合位错图图2-6（a）混合位错的）混合位错的形成形成（b）混合位错分解为刃位错）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图和螺位错示意图（c）混合位错线附近原）混合位错线附近原子滑移透视图子滑移透视图二、位

8、错的柏格斯矢量（二、位错的柏格斯矢量（Burgers vector）及位错的性质）及位错的性质 柏格斯矢量：柏格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面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一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。畸变。性质：性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致。向与滑移方向一致。 （一）柏格斯矢量柏格斯矢量 1.确定柏格斯矢量的步骤确定柏格斯矢量的步骤（1）对于给定点的位错，人为规定位错线的）对于给定点的位错，人为规定位错线的方向，如方向，如图图2-7所示。所示。（2）用右手螺旋定则确定柏格斯回路方向。）用

9、右手螺旋定则确定柏格斯回路方向。（3）按照）按照图图2-7所示的规律走回路，最后封所示的规律走回路，最后封闭回路的矢量即要求的柏氏矢量闭回路的矢量即要求的柏氏矢量。 图图2-7 简单立方结构中，围绕刃位错的柏格简单立方结构中，围绕刃位错的柏格斯回路斯回路 2 .柏氏矢量的物理意义及特征、柏氏矢量的物理意义及特征、（1）形成位错的平移（滑移）矢量，柏氏回）形成位错的平移（滑移）矢量，柏氏回路的不封闭性，定义为路的不封闭性，定义为b。（2）b代表位错畸变总和，代表位错畸变总和，b称为位错强度。称为位错强度。（3）bl 为螺型位错，为螺型位错， bl 为刃型位错。为刃型位错。 （4）柏氏矢量具有守恒

10、性。）柏氏矢量具有守恒性。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。变的，此即位错的柏氏矢量的守恒性。推论：推论： 1.一条位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（交点称为节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柏氏矢量之和，必点），则指向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然等于离开节点的各位错的柏氏矢量之和 。 （二）位错线的连续性及位错密度（二）位错线的连续性及位错密度 1.位错线的连续

11、性位错线的连续性 位错线不可能中断于晶体内部。在晶体位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。界或晶体表面。 2.位错密度：单位体积内位错线的总长度位错密度：单位体积内位错线的总长度=S/V 式中：式中：l为每根位错线的长度，为每根位错线的长度，n为面积为面积A中见到的位错数目。中见到的位错数目。 一般退火金属晶体中一般退火金属晶体中 为为105106cm-2数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中， 为为101

12、01012cm-2AnAlln三、位错的运动三、位错的运动 n位错的滑移：位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面指位错在外力作用下，在滑移面上的运动，结果导致永久形变。上的运动，结果导致永久形变。n位错的攀移：位错的攀移：指在热缺陷的作用下，位错在垂指在热缺陷的作用下，位错在垂直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子的增值或减少的增值或减少。（一）位错的滑移（一）位错的滑移 1.位错滑移的机理（图位错滑移的机理（图2-8） 位错在滑移时是通过位错线或位错附近的位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的。原子逐个移动很小的距离完成的

13、。 图图2-8 刃位错的滑移刃位错的滑移（a）正刃位错滑移方向与）正刃位错滑移方向与外力方向相图外力方向相图（b）负刃位错滑移方）负刃位错滑移方向与外力方向相反向与外力方向相反刃位错的运动刃位错的运动螺位错的运动螺位错的运动2.位错的滑移特点位错的滑移特点（1）刃位错滑移方向与柏氏矢量）刃位错滑移方向与柏氏矢量b平行，正、平行，正、负刃位错滑移方向相反。负刃位错滑移方向相反。（2）螺位错滑移方向与柏氏矢量）螺位错滑移方向与柏氏矢量b垂直，左、垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。右螺型位错滑移方向相反。（3）混合位错滑移方向与柏氏矢量）混合位错滑移方向与柏氏矢量b成一定角成一定角度（即沿位错线法线

14、方向滑移）。度（即沿位错线法线方向滑移）。（4）晶体的滑移方向与位错的柏氏矢量）晶体的滑移方向与位错的柏氏矢量b相一相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。致，但并不一定与位错的滑移方向相同。 派纳力派纳力滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方向应是原子最密排方向。向应是原子最密排方向。（二）位错的攀移（二）位错的攀移 位错的攀移位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除了滑中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除

15、了滑移外，还可进行攀移运动。移外，还可进行攀移运动。攀移的实质攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。是多余半原子面的伸长或缩短。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。 图图2-9 刃位错攀移示意图刃位错攀移示意图（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面缩短）面缩短）(b)未攀移未攀移（c）负攀移（半）负攀移（半原子面伸长）原子面伸长）常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是，在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中，是，在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。位错攀移在低温下是难以攀移却起着重要作用。位

16、错攀移在低温下是难以进行的，进行的，只有在高温下才可能发生只有在高温下才可能发生。 四、位错的弹性性质四、位错的弹性性质.位错的应力场与应变能位错的应力场与应变能理论基础：理论基础：连续弹性介质模型连续弹性介质模型假设：假设：1.完全服从虎克定律，即不存在塑性变形；完全服从虎克定律，即不存在塑性变形；2. 各向同性；各向同性；3. 连续介质，不存在结构间隙。连续介质，不存在结构间隙。位错的应力场位错的应力场: 刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错上面的原子处于压应力状态，为压应力场，刃位错下面的原子处于张应力状态，为张应力场。刃位错下面的原子处于张应力状态，为张应力场。 围绕一个

17、螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。围绕一个螺位错的晶体圆柱体区域也有应力场存在。螺位错应力场中不存在正应力分量。切应螺位错应力场中不存在正应力分量。切应力分量之与力分量之与r有关，与有关，与 无关，所以螺位错应力无关，所以螺位错应力场是径向对称的，即同一半径上的切应力相等。场是径向对称的，即同一半径上的切应力相等。正应力分量与切应力分量同时存在，各应正应力分量与切应力分量同时存在，各应力分量与力分量与Z无关，滑移面以上，为压应力，滑无关，滑移面以上，为压应力，滑移面以下为拉应力。移面以下为拉应力。n位错的弹性应变能可进一步简化为一个简单的位错的弹性应变能可进一步简化为一个简单的函数式：函数

18、式：n W=W= GbGb2 2 式中式中W为单位长度位错线的弹性应变能，为单位长度位错线的弹性应变能，G是剪切模量，是剪切模量，b是柏氏矢量，是柏氏矢量， =1/4lnR/r0 其中其中R是晶体的外径是晶体的外径、 r0 是位错核心的半径，是位错核心的半径，系数系数 由位错的类型、密度（由位错的类型、密度（R值）决定，其值值）决定，其值的范围为的范围为0.51.0。n意义：上式表明意义：上式表明Wb2，故可用柏氏矢量的大，故可用柏氏矢量的大小来判断晶体哪些地方最容易形成位错。小来判断晶体哪些地方最容易形成位错。2.外力场中位错所受的力外力场中位错所受的力FdFdbb作用在单位长度位错线上的力与外加切应力作用在单位长度位错线上的力与外加切应力和柏氏矢量和柏氏矢量b b成正比，方向处处垂直于位错成正比，方向处处垂直于位错线，并指向未滑移区。线，并指向未滑移区。3. 位错线张力位错线张力线张力数值上等于单位长度位错的应变能。线张力数值上等于单位长度位错的应变能。T=T= GbGb2 24. 位错间的交互作用力位错间的交互作用力五、实际晶体中的位错五、实际晶体中的位错.单位位错（全位错）单位位错（全位错）b b为沿滑移方向的原子间距的整数倍的位错。为沿滑移方向的原子间距的整数倍的位错。2.不全位错不全位错 b b小于滑移方向的原子间距的位错。小于滑移方向的原子