第3节-原子的不规则排列-位错1.ppt

1、1,概念：位错（dislocation）是晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。位错是晶体中的一维缺陷（或线缺陷），即在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小。但从原子尺度上看，它不是一条线，而是一个直径为35个原子间距的管状原子畸变区，管内原子排列是混乱的. 意义：位错对晶体的力学性能（如塑性、强度、断裂等）起着决定性的作用，对晶体的扩散、相变过程也有一定的影响.,2,根据理想晶体滑移模型推算，晶体的理论抗剪切强度，约为剪切模量G的三十分之一。例如铁单晶体的剪切模量约为1102GPa，这样，晶体的理论抗剪切强度约为3000MPa. 根据试验结果，晶体的实际抗剪切强度与理论抗剪切强度相

2、差24个数量级，仅为的110MPa ，远低于实际强度.,位错的提出理论与实验的分歧以及生活与实验现象,3,位错理论发展的历史,1907年有人在弹性力学中提出了位错的概念，并讨论了位错的应力场； 1934年，Taylor、Polanyi和Orowan几乎同时从晶体学角度提出位错概念，把位错和晶体塑性变形联系起来，开始建立并逐步发展了位错理论模型； 1947年，Cotterll在英国国际强度会议上报告了用溶质原子与位错的相互作用来解释碳钢的屈服点效应，得到了满意的结果。这使得从假设出发的位错理论在解决金属力学性质的具体问题上获得成功； 1950年以后，由于透射电子显微镜技术的发展，证实了位错的存在

3、及其运动，位错理论从假设实验证实理论发展。,4,1.3.2.1 位错的基本类型 Types of dislocations,一、刃(型)位错 edge dislocation,（1）刃型位错的概念,A,在晶体的上半部中有一多余的半原子面，它终止于晶体内部，好像插入的刀刃，图中的AB（ A位于晶体的正面，B位于晶体的背面）就是该原子面的边缘，显然这里的原子处于更高的能量状态，这列原子及其周围区域（25个原子间距）就是晶体中的位错，由于位错在空间的一维方向上尺寸很长，故属于线缺陷，这种类型的位错称为刃型位错。,5,（2）晶体中的刃型位错是怎样引入的呢？,可能是在晶体形成过程（凝固或冷却）中，由于各

4、种因素使原子错排，多了半个原子面（extra half atom plane ）。 也可能是由于高温的大量空位在快速冷却时保留下来，并聚合成为空位片而少了半个原子面。,更有可能是由局部滑移引起的，晶体在冷却或者经受其它加工工艺时难免会受到各种外应力和内应力的作用（如两相间热膨胀系数的差异或温度不均匀都会产生内应力），高温时原子间作用力又较弱，完全有可能在局部区域内使理想晶体在某一晶面上发生滑移，于是就把一个半原子面挤入晶格中间，从而形成一个刃型位错。,6,从这个角度看，晶体中的位错作为滑移区与未滑移区的边界，就不可能终断于晶体内部，它们或者在表面露头，或者终止于晶界和相界，或者与其它位错线交叉

5、，或者自行在晶体内部形成一个封闭环，这是位错的一个重要特征。,7,（3）刃型位错的类型,显然：正刃位错和负刃位错是没有本质的区别的，二者刻意相互转换。,习惯上，将半原子面在滑移面上方称为正刃型位错，以 “”表示.,半原子面在滑移面下方称为正刃型位错，以 “ ”表示.,8,在正刃位错中，晶体发生局部滑移的方向与位错线是垂直的，如果局部滑移是沿着与位错线平行的方向移动一个原子间距，那么在滑移区与未滑移区的边界(BC)上形成位错，其结构与刃型位错不同，原子平面在位错线附近已扭曲为螺旋面，在原子面上绕着B转一周就推进一个原子间距，所以在位错线周围原子呈螺旋状分布，故称为螺型位错。,二、螺(型)位错 s

6、crew dislocation,9,右旋螺位错（right-hand screw dislocation）：,左旋螺位错（left-hand screw dislocation）：,两种螺型位错：,注意：右旋和左旋螺位错是有本质的区别的，二者无法相互转换。,10,三、混合型位错 Mixed dislocation,可分解为两个分量：/、 纯刃位错和螺位错的位错线均为直线，但混合型位错的位错线可能是直线、曲线或封闭曲线。 位错环 dislocation loop,11,1.3.2.2 柏氏矢量 Burgers vector,一、柏氏矢量的确定方法（避开严重畸变区）,1.在位错周围沿着点阵结点形

7、成封闭回路.,2. 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路.,S(F),3. 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏氏矢量， 用 表示。 。,12,（1）确定刃型位错线的柏氏回路； （2） 将同样的回路置于完整晶体中不闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合柏氏矢量,刃型位错柏氏矢量的确定,举例1：,13,（1） 确定螺型位错线的柏氏回路； （2） 将同样的回路置于完整晶体中不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合柏氏矢量,螺型位错柏氏矢量的确定,举例2：,14,二、柏氏矢量的物理意义与特征,代表位错，并表示其特征（强度、累积畸变量）； 表示位错引起的晶体滑移时原子移动的大小

8、和方向； 一条不分叉的任何形状的位错线只有一个柏氏矢量； 若bl，则为螺型位错，其中同向为右螺，反向为左螺。若bl，则为刃型位错，其正负用右手法则判断：四指指向位错线方向（从内向外），右手旋转90至柏氏矢量b方向，则拇指指向多余半原子面方向（向上为正刃，向下为负刃）。 既不平行，也不垂直，则为混合性位错。,15,三、柏氏矢量的表示方法,柏氏矢量的的表示方法与晶向指数相似，只不过晶向指数没有“大小”的概念，而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把该矢量的模（或位错强度）也表示出来，因而要同时标出该矢量在各个晶轴上的分量。,右图中的矢量Ob，其晶向指数为110，柏氏矢量b1=1a+1b+1c, 对于立方

9、晶体a=b=c，故可简写为：,举例,右图中的矢量Ob，其晶向指数也为110，柏氏矢量b2=1/2a+1/2b+1/2c，可简写为：,16,立方晶系柏氏矢量的一般表达式：,其模则为：,17,18,三种位错柏氏矢量的特点总结,19,1.3.2.3 位错密度 Dislocation density,一、定义和估算 estimate,1、定义： 单位体积中位错线的总长度，即,20,假定所有的位错线都是直线，N条位错线，则，,即单位面积上有多少位错线的露头数(emergence)，如蚀坑(etch pits) 在高度冷加工的金属中，为10121013 mm-2 在充分退火的金属中， 为104106 mm-2 在精细生长的半导体晶体中， 为0.1 mm-2,2、估算,21,二、位错密度对晶体的强度的影响,位错密度较低时，位错密度越低，晶体强度越高 在位错密度较高时，位错越高，晶体强度越高。但冷加工提高晶体强度有局限性。 提