《位错的增殖与塞积》课件

《位错的增殖与塞积》1.10位错的增殖与塞积

从直观上看，位错在塑性变形中要不断地逸出晶体表面，使晶体中位错密度不断减少，然而事实恰恰相反。经剧烈变形后的金属晶体，其位错密度可增加4~5个数量级，这种现象充分说明晶体在变形过程中位错在不断地增殖。所以，位错的增殖机制是位错理论中一个很重要的问题。

位错的滑移塑性变形位错：增殖、塞积、交割位错的数量逐渐增加金属晶须：按照同样的方向和部位排列，构成了一种完全没有任何缺陷的理想晶体；直径一般为几微米到几十微米。位错线与位错缠结(TEM)不锈钢316L(00Cr17Ni14Mo2)AB滑移面

晶体中的位错往往互相缠结形成位错网络。在位错网络结点A、B上，位错线张力平衡，位错处于力学平衡状态。位错缠结（b）（a）1.位错的增殖

Frank-ReedSourceF－R源的形核位错的增殖机制有许多种，其中一种主要方式是弗兰克-瑞德（Frank-Read）位错源。(a)双轴位错增殖过程Frank-Read增殖机制

弗兰克（FrankF.C.）-瑞德（ReadW.T.）A、B两点固定不动Prof.C.Frank1911-1998BritishphysicistF－R源的开动条件：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。Si单晶中的F-R源

若某一滑移面上有一段刃型位错AB，它的两端被位错网节点钉住，不能运动。现沿位错的柏氏矢量方向加切应力，使位错沿滑移面向前进行滑移运动。但由于AB两端固定，所以只能使位错线发生弯曲。单位长度位错线所受的滑移力总是与位错线本身垂直，所以弯曲后的位错线每一小段继续受到该力的作用，会沿它的法线方向向外扩展，其两端则分别绕节点A，B发生回转。

两端弯出来的线段相互靠近时，由于两线段平行于柏氏矢量，但位错线方向相反，分别属于左螺型位错和右螺型位错，它们互相抵消，形成一闭合的位错环和位错环内的一小段弯曲的位错线。只要外加切应力继续作用，位错环便继续向外扩张，同时环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，络绎不绝地产生新的位错环，从而造成位错的增殖。(b)单轴位错增殖过程

位错一端固定不动。当滑移面上受到切应力时，位错绕固定点旋转。位错每旋转一圈，也就是位错线扫过滑移面一次，使晶体沿柏氏矢量方向产生一个原子间距的位移。2.双交滑移增殖机制

螺型位错经双交滑移后可形成刃型割阶，由于此割阶不在原位错的滑移面上，因此它不能随原位错线一起向前运动，即对原位错产生钉扎作用，并使原位错在滑移面上滑移时成为一个弗兰克一瑞德源。

F-R源开动时，位错弯曲的最小曲率半径是L/2，因位错张力而受的向心力F=2

/L≈Gb2/L

，所以开动F-R源的最小分切应力约为Gb/L。一般L约为1

m，b约为0.1nm，故开动F-R源的分切应力约为10-4G

。这个值接近晶体的屈服应力。

2.位错的塞积当位错在滑移过程中遇到沉淀相、晶界等障碍物时，可能被阻挡停止运动，并使由同一位错源增殖的后续位错发生塞积。塞积使障碍处产生了应力集中。

滑移面上的障碍物（晶界等）阻碍位错运动，使同一个位错源发出的同号位错先后被障碍物阻塞，形成位错塞积群。障碍物可以是晶界、杂质粒子、固定位错等。

整个塞积群对位错源有一反作用力。当塞积位错的数目达到n时，这种反作用力与外加切应力可能达到平衡。此时，位错源则会关闭；要想继续滑移，就必须增大外力，这是应变硬化的机制之一。不锈钢中晶界前塞积的位错高锰钢中位错被堵塞在晶界附近Cu-4Ti合金中位错被堵塞在晶界附近

位错源发出的位错向前运动时，一方面受驱使它向前移动的力，另一方面受到前方塞积群对它的排斥力。在位错塞积群中，位错间的距离由领先位错开始依次向后越来越大,即位错的排列由领头位错开始依次向后越来越疏。位错塞积群中的位错个数n正比于外加切应力

0。和位错源至障碍物间的距离L。当L一定时，晶体滑移面受

0作用，位错源不断放出位错，使塞积群中的位错数目逐渐增多。当位错达到一定数目时，塞积群便可以抑制位错源继续向外放出位错。塞积群不仅对位错源有抑制作用，而且对障碍物也有作用。位错塞积群对障碍物的作用力是外加切应力的n倍。塞积群中的位错数目越多，塞积群对障碍物的作用力越大。领先位错的前端会产生很大的应力集中。这种强大的应力集中可以使塞积群中的螺型位错通过交滑移而越过障碍物，也会使领先位错前端的相邻晶粒内的位错源开动。应力集中大到一定程度时，甚至可以把障碍物摧毁。位错塞积的结果位错切过障碍物：当障碍物强度较低时，运动的位错可能将障碍物切开。

位错绕过障碍物：当障碍物强度较高时，运动的位错可能绕过障碍物，并在障碍物外留下位错环。应用：沉淀强化如果塞积既不能使位错切过又不能绕过障碍物，就会产生加工硬化，即位错的运动阻力增大。如要继续滑移，就必须增加应力。第二相粒子作为位错运动的障碍使材料的流变应力增加称为沉淀强化。1.11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。

基本概念

1.位错的类型

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——部分位错最紧密堆积方式：1，3，5或2，4，6位相对第一、二层而言，第三层有两种最紧密的堆积方式1.原子堆垛135246123456AB，六方紧密堆积前视图ABABA第一种：是将球对准第一层的球每两层一个周期：ABAB…密排六方结构123456123456123456第三层对准第一层的

2、4、6位，即C层123456123456123456123456立方堆积示意图ABCAABC2.堆垛层错

晶体中原子堆垛次序不同于正常次序而引起的一种面缺陷；是由一个不全位错扫过滑移面时所造成的平面区域不完整性，简称层错。

正常堆垛顺序为ABCABC…，以Frank记号表之为△△△△…，若出现反常堆垛，则以▽表示。堆垛层错（1）形成密排堆垛次序有误层错面缺陷形成

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。层错stackingfault晶体中原子间的正常堆垛顺序发生错误称为堆垛层错。层错使系统的能量增加。单位面积层错所增加的能量称为层错能。材料的层错能越低，层错数量越多。全位错和不全位错以面心立方晶体为例：面是ABCABCABC堆垛。53142ABC面面21453ACBA观察位置剖面AC

晶面上C层相对于A层沿晶向滑移，晶体结构不变，但在已滑移区和未滑移区之间形成全位错。

肖克莱半位错BBC面ACBA面<110>/2BBC面ACBA面BACAB层错<112>/61位错反应几何条件：反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）；能量条件：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。—位错的合并与分解1.12扩展位错位错反应条件：（1）几何条件：反应前的柏氏矢量之和等于反应后的柏氏矢量之和。（2）能量条件：反应后的位错总能量小于反应前的位错总能量。∑bii=1n=∑bjj=1n反应前反应后∑bii=1n2＞

∑bj2j=1n反应前反应后2.扩展位错

扩展位错：一个位错分解成两个半位错和它们中间夹的层错带构成的位错。面心立方晶体的滑移如：TiAl金属间化合物堆垛层错stackingfault位错的束集当螺型位错分解为扩展位错后，其中的层错区只能在原滑移面上随两个不全位错移动，不能转移到新的滑移面上。如果这样的扩展位错在滑动过程中受阻，只有重新合并为螺型全位错才能进行交滑移。受阻的局部线段进行合并-束集3.扩展位错的交滑移4.面角位错2)特征：固定；纯刃型；柏氏矢量不在fcc的滑移面{111}上；形成于两个{111}面之间的面角上；位错组合。面角位错Lomer-Cottrel位错1)