《位错间的相互作用力》课件

《位错间的相互作用力》1.7位错间的相互作用力（InteractiveForce）概念晶体中存在位错，在它的周围便产生一个应力场。当两个位错接近到一定距离，达到它们彼此的应力场作用范围时，两者就表现为相互作用，这就是位错间的相互作用力。两个位错间的作用力实质上就是一个位错的弹性应力场对另一个位错所产生的作用力。1.7.1两螺型位错间的相互作用力两平行螺型位错间的相互作用力（a）计算相互作用示意图；（b）相互作用力方向Screwdislocation按弹性理论，可求得螺型位错周围只有一个切应变：

螺型位错应力场螺型位错的应力场螺型位错的应力场为：位错S1的应力场为：S2位错的柏氏矢量为：b2=（00b2）S2位错的单位错线长为：kS1、S2两位错的相互作用力为：两平行螺型位错间的相互作用力，其大小和两位错的强度的乘积成正比，而与两位错间距离成反比。2.两垂直螺型位错间的相互作用力位错A的应力场为：位错B的柏氏矢量为：bB=（bB00）位错B的单位为错线长为：iA、B两位错间的相互作用力为：两同号相互垂直的螺型位错相互吸引；两异号相互垂直的螺型位错相互排斥。Edgedislocation刃型位错的应力场1.7.2两刃型位错间的相互作用力两平行刃型位错间的相互作用力位错e1的应力场为：e2位错的柏氏矢量为：b2=（b200）e2位错的单位为错线长为：k两位错间的相互作用力为：Fx=b2σxyi,使位错e2沿x轴方向滑移，叫滑移力；Fy=σxxj,使位错e2沿y轴方向攀移，叫攀移力。1.对于两个同号平行的刃型位错当|x|>|y|时，若x>0，则Fx>0；若x<0，则Fx<0。这说明当位错e2位于图（a）、区间时，两位错相互排斥。当|x|<|y|时，若x>0，则Fx<0；若x<0，则Fx>0。这说明当位错e2位于图（a）、区间时，两位错相互吸引。当|x|=|y|时，Fx=0，位错e2处于介稳定状态。当x=0时，即位错e2处于y轴上时，Fx=0，位错e2处于稳定平衡状态，一旦偏离此位置就会受到位错e1的吸引而退回原位，使位错垂直地排列起来。通常把这种垂直排列的位错组态称为位错墙。当y=0时，若x>0，则Fx>0；若x<0，则Fx<0。即处于同一滑移面的同号刃型位错总是相互排斥。2.对于两个异号平行的刃型位错，它们之间的相互作用力的方向刚好和上述同号位错相反，而且位错e2的稳定位置和介稳定平衡位置正好相互对换，|x|=|y|时，位错e2处于平衡状态。1.7.3刃型位错和螺型位错间的

相互作用力刃型位错线和螺型位错线平行时，两者之间的作用力为零，即不发生相互作用。刃型位错线和螺型位错线垂直时，因垂直情况不同，其相互作用情况也不同，比较复杂。1.8位错与溶质的交互作用在完整晶体中，溶质原子分布是随机的，但有其他缺陷（位错）产生应力场时，溶质原子产生的应变能就要发生改变，即产生相互作用。溶质原子在晶体中会引起点阵畸变，产生的应力场可与位错产生交互作用。种类：弹性的、化学的、电学的。弹性作用最为重要。溶质原子会使周围晶体产生弹性畸变，而产生应力场，它与位错的应力场相互作用从而升高或降低晶体中的弹性应变能。分科垂耳型(cottrell)和斯诺克型(snoek)两种作用。交互作用会使溶质原子发生移动，使得在位错附近形成溶质原子气团，包括科垂耳(cottrell）气团，斯诺克(snoek)气团，铃木（suzuki）气团.位错点缺陷应力场应力场交互作用能量降低稳定位错强化晶体位错与溶质原子的相互作用能外力（被假定为球形的溶质原子改变体积）反抗位错应力场所作的功

V为溶质与基体原子体积差。刃型位错的应力场公式代入有：其中以此可分析得到吸引或排斥某种原子的区域

位错与点缺陷的交互作用

晶体内同时含由位错和点缺陷时(特别是溶入的异类原子)，它们会发生交互作用。柯氏气团溶质原子与位错弹性交互作用的结果使溶质原子积聚在减小晶格畸变的位置，减低了体系能量，使体系更稳定，这种结构称为“柯氏(Cotrell)气团”。柯氏气团柯氏气团对位错有钉扎作用，因此固溶体合金的变形抗力要高于纯金属。当具有柯氏气团的位错在外力作用下，欲离开溶质原子时，势必升高应变能。这相当溶质原子对位错有钉扎作用，阻碍了位错的移动，是固溶强化的重要原因。位错的移动速度小于溶质迁移速度，位错将拖着气团一起运动；位错运动速度大于溶质迁移速度时，将挣脱气团而独立运动。

科氏气团位错与溶质原子交互作用－溶质原子相位错线聚集－溶质原子气团；位错更加稳定-“钉轧”；变形时位错需“脱钉”→“屈服平台”铁中的碳-位错的运动障碍Carbonisan“impurity”Thecarbonatomcreatesastressfieldthatblockstheintendedmovementofthedislocation.Ittakessubstantialenergytoovercometheobstacle.试样在上屈服点发生明显塑性变形，应力突然下降到下屈服点。然后发生连续变形，形成具有微小波动的屈服平台。屈服延伸阶段，吕德斯带沿拉伸方向展开。如果有多个吕德斯带出现，则会有应力波动。当屈服扩展到整个试样时，屈服延伸即告结束。在屈服延伸阶段，试样的应变是不均匀的。开始变形时会在样品表面出现与拉伸轴呈45º交角的应变痕，称为吕德斯(Lüders)带，应力同时下降到下屈服点。屈服点的出现与金属中存在的微量溶质有关。溶质原子在位错处形成的柯氏气团对位错有钉扎作用，会导致屈服极限σs提高(上屈服点)，而位错一旦挣脱气团的钉扎，便可以在较小的应力下继续运动，较小应力对应于拉伸曲线的下曲服点。已经屈服的试样卸载后立即加载拉伸，由于位错已脱离气团钉扎，故不再出现上屈服点。卸载后放置较长时间或短时加热，溶质原子又通过扩散重新在位错处形成柯氏气团，屈服点又重新出现。屈服点的出现还与位错增殖有关。晶体塑性变形会引发大量的位错增殖，如F-R源和双交滑移等，位错大量增殖后，晶体内能增大，在维持一定的应变速率时，所需要的流变应力flowstress(维持均匀塑性变形所需的外力)相应减小，因此出现下屈服点。屈服现象会使金属在冷冲压成型时出现吕德斯带，造成工件表面粗糙不平。因此可利用应变时效原理，在冲压前作一次微量冷冲，或向材料中加入适量的、能与间隙原子形成化合物的元素，有利于减少柯氏气团，消除屈服点。斯诺克（Snoek）气团螺位错的应力场是间隙原子在位错线附近产生局部有序排列，这种有序排列称斯诺克（snoek）气团。和科垂尔气团相比，形成这种气团不需要原子长程扩散，也不需要引起溶质原子的聚集。

化学相互作用—Suzuki气团在热平衡下，溶质原子在层错区的浓度与基体不同，它阻碍扩展位错运动---化学相互作用。层错区富集的溶质原子称为铃木气团。1.9位错的运动与交割1.9.1位错的运动1.9.2运动位错的交割

1.9.1位错的运动1.刃型位错的滑移运动刃型位错滑移的示意图（a）滑移时周围原子的位移；（b）滑移过程螺型位错滑移的示意图（a）原始位置；（b）位错向左移动了一个原子间距；（c）滑移过程2.螺型位错及混合型位错的滑移运动

螺型位错运动时，当位错线沿滑移面滑过整个晶体时，同样会在晶体表面沿柏氏矢量方向产生宽度为一个柏氏矢量的台阶。在滑移时，螺型位错的移动方向与位错线垂直，也与柏氏矢量垂直。

混合型位错的移动运动如图所示。根据确定位错线运动方向的右手法则，即以拇指代表沿着柏氏矢量b移动的那部分晶体，食指代表位错线方向，则中指就表示位错线移动方向，该混合位错在外加切应力τ作用下，将沿其各点的法线方向在滑移面上向外扩展，最终使上下两块晶体沿柏氏矢量方向移动一个b大小的距离。混合型位错的滑移过程3.混合型位错的滑移运动不同类型位错的滑移方向与外加切应力和柏氏矢量的方向不同。刃型位错的滑移方向与外加切应力τ及柏氏矢量一致，正、负刃型位错方向相反；螺型位错的滑移方向与外加切应力τ及柏氏矢量垂直，左、右螺型位错方向相反；混合型位错的滑移方向与外加切应力τ及柏氏矢量成一定角度，晶体的滑移方向与外加切应力τ及柏氏矢量相一致。位错的滑移方向与外加切应力τ及柏氏矢量的关系（a）刃型位错；（b）螺型位错；（c）混合型位错

刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。刃型位错的攀移相当于多余半原子面的伸长或缩短，可通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现。螺型位错没有多余的半原子面，因此不会发生攀移运动。4刃型位错的攀移运动刃型位错的攀移运动示意图（a）未攀移的位错；（b）空位引起的正攀移；（c）间隙原子引起的负攀移5.螺型位错的交滑移

对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可成为其滑移面，因此，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。如果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，则称为双交滑移。螺型位错的交滑移面心立方晶体中的双交滑移示意图1.9.2运动位错的交割当一位错在某一滑移面上滑动时，会与穿过滑移面的其它位错交割。位错的交割对材料强化和点缺陷的产生有重要影响。

割阶与扭折

当位错在滑移面上运动时，可能在某处遇到障碍，这样，有可能其中一部分线段首先进行滑移，若由此造成的曲折线段就在位错的滑移面时，称为“扭折”。若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，称为“割阶”。当然，扭折和割阶也可由位错之间交割而形成。割阶：刃型位错扭折：螺型位错扭折和割阶：均为刃型位错位错交割的过程：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。mn不在原位错线的滑移面上，所以称为割阶。mn是一段新位错，其柏氏矢量与CD相同，也是刃位错。刃位错与螺位错、螺位错与螺位错之间交割都要形成割阶，还可能形成难以运动的固定割阶。割阶的形成增加了位错线长度，要消耗一定的能量，因此交割对位错运动是一种阻碍。增加变形困难，产生应变硬化。1两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割柏氏矢量为b1的刃型位错XY和柏氏矢量为b2的刃型位错AB分别位于两垂直的平面PXY、PAB上，柏氏矢量b1与b2相互垂直。

由于XY扫过的区域，其滑移面PXY两侧的晶体将发生b1距离的相对位移，因此交割后，在位错线AB上产生PP′小台阶。PP′的大小和方向取决于b1。由于位错的柏氏矢量的守恒性，PP′的柏氏矢量仍为b2，b2垂直于PP′，因而PP′是刃型位错，且不在原位错线的滑移面上，故是割阶。位错XY平行b2，因此交割后不会在XY上形成割阶。XY向下运动与AB交割柏氏矢量为b1的刃型位错XY和柏氏矢量为b2的刃型位错AB分别位于两垂直的平面PXY、PAB上，柏氏矢量b1与b2相互平行。2两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割交割后，在AB位错线上出现一段平行于b1的PP′台阶，其大小和方向与b1相同；在XY位错线上也出现一段平行于b2的QQ′台阶，其大小和方向与b2相同。但它们的滑移面和原位错的滑移面一致，故称为扭折，属于螺型位错。在运动过程中，这种扭折在线张力的作用下可能被拉直而消失。

AB不动，XY向右运动。3两个柏氏矢量互相垂直的螺型位错交割4两个柏氏矢量垂直的刃型位错与螺型位错的交割为滑移面，AA′为刃型位错，其柏氏矢量为b1，BB′为螺型位错，其柏氏矢量为b2。

交割后，在刃型位错AA′上形成大小和方向与b2相同的割阶MM′，其柏氏矢量为b1。同样，交割后在螺型位错BB′上也形成大小和方向与b1相同的一段折线NN′，属于刃型位错；NN′位于螺型位错BB′的滑移面上，因此为扭折。BB′不动，