第0-1章-位错基础.ppt

1、主要讲课内容为：第0章绪论第1章重排结构第2章重排弹性理论第3章重排运动和交接第4章重排理论在实际晶体结构中的应用第6章滞弹性和内耗第7章金属疲劳，从2.0世纪2.0年代末开始人们就金属单晶的塑性形变进行了系统研究。 1926年弗兰克(J.Frankel )基于晶体塑性形变是整个滑移面的滑动的概念，计算出完整晶体的理论滑动强度比当时实验测得的滑动强度值高出约1000倍。 为了说明这一差异，1934年泰勒(G.I.Taylor )、奥罗拉(E.Orowan )和波南非兰特伊(M.Polanyi )提出了几乎在云同步中存在位错的假设，使晶体易因切应力而滑动引起塑性形变1938年法兰克福(J.Fra

2、nkel )发现了作用于外力的下位错线的运动，提出了动态的变位格子模型。 第0章绪论中，1939年柏瓦斯气体(J.M.Burgers )提出了螺型位错概念和柏氏矢量，使重排概念普遍化，发展了重排应力场的一般理论，继而重排理论得到了多方面的发展。 1940年Peierls提出了一个微小的阵列模型，1947年在纳波罗的帮助下计算了滑移位错所需的临界剪应力(P-N力)。 1949年科约尔(A.H.Cottrell )提出了位错和溶质原子的作用问题，用碳原子固定位错解释钢中的屈服极限的现象成功(Cottrell气团)，法兰克的螺型位错促进晶体生长的理论预言得到了可以接受的证实。 并且多数人几乎独立于云

3、同步，用显微镜观察了变位的存在及其形状。 特别是1956年鲍尔曼(Bollman )在不锈钢中，赫兹(P.B.Hirsch )在铝中通过透射电子显微镜观察到变位和变位在应力的作用下直接变动到约102nm，赫兹在1980年代初它为晶体中重排的结构、分布、动力学性质、重排与塑性形变的关系等提供了确切资料，论证了重排理论的一些基本论点和许多细节，为进一步发展塑性形变重排理论奠定了基础，使重排理论成熟。 重排理论的框架已经确定，这不仅表明重排理论可以通过实验直接观察到塑性形变中的力学问题和重排，而且重排理论的建立促进其他理论的发展也很重要。 例如，1940年贝尔格斯和布拉格提出了晶界位错模型，1940

4、年代该模型取得了大量实验资料的证实，促进了晶界理论的发展。 目前，重排理论不仅在塑性形变等问题上，在滞弹性、断裂、相变、晶体电磁性能、晶体光学性质、超导体等领域，重排理论也越来越重要。 变位理论的发展历史很短，还有不完善的地方。 弗兰克和史迪奇在1975年的“结晶重排”的评论中指出，重排的部分理论是正确的。 因为那是纯粹的几何学或者形态学。 有些部分明显相似，但可靠。 但是，现在有意义的问题，因为不能确信它们所做的近似的可靠性，所以有必要依靠所有的理论方法和观察和推测来谋求进一步的发展。 除了这些个的“近似”之外，在重排领域迄今尚未完全解决的主要问题是如何填补单一重排性质与重排集团行为之间的差

5、距。 因此，重排理论今后需要进一步发展和完善。 第1章重排的结构、1.1重排的基本类型1.2重排的结构特征、1.1重排的基本类型(Basic Types of Dislocation )、1 .定义重排是晶体中原子排列的特殊配置。 滑动区域和不滑动区域的滑动面上的界限线被称为位错线，通常简称为错位(rotation )。 从错位的几何结构来看，分为刃型位错和螺旋状错位。图1.1显示了刃型位错的晶体结构。 2 .边缘错位(Edge Dislocation )是指刀刃插入结晶中，在ABCD面的上下2个结晶之间产生原子错位，被称为刃错位，多半原子面和滑动面的交线EF被称为边缘位错线。 刃型位错的特点

6、如下：刃型位错有多个半原子面。 一般来说，将多馀的半原子面在滑移面上称为正刃型变位，另外，将多馀的半原子面在滑移面下称为负刃型变位，记为“。 刃状位错线是结晶中的滑动区域和不滑动区域的界限线。 不一定需要为直线，也可以为折线或曲线，但是需要与滑动方向垂直。 滑移面是包含偏离线和滑动矢量两者的平面，在其他方面无法滑动。 在刃型位错中，由于位错线和滑动矢量相互正交，所以由这些个构成的平面只有一个。 晶体中存在刃型位错时，位错周围的晶格弹性变形，有剪切变形和正变形。 正刃型变位中，滑移面上方的格子受到压缩应力，下方的格子受到抗拉应力的负刃型变位与此相反。 因为位错线周围的过渡区域只有几个原子间距，所

7、以那就是线缺陷。 图1.2表示(a )立体模型(b )平面图刃型位错的示意图、结晶的局部滑动引起的刃型位错、变位运动的示意图、3 .螺型位错(Screw Dislocation )、螺型位错的结晶构造。 图(a )是结晶的右侧作用，右侧上下的两个结晶沿着滑移面ABCD错开，此时，滑动区域和滑动区域的界限线bb与滑动方向平行。 图(b )是俯视图，“(表示ABCD之下的原子)”“表示ABCD之上的原子。 在aa右侧的结晶中，下层原子的原子间距离相对错开，但在bb和aa之间出现了原子间距离宽、上层原子的位置不一致的几个过渡区域，原子的正常排列被破坏。 以bb为轴，从a开始顺时针连接该过渡区域的各原

8、子，则如图(c )所示。 即位位错线附近的原子呈螺旋状排列，因此，这种错位被称为螺型位错。、位错线附近，根据排列成螺旋状的原子的旋转方向，螺型位错分为顺时针和逆时针的螺型位错。 由于螺旋位错线与滑动矢量平行，因此一定是直线。 单纯的螺型位错滑移面不是唯一的。 含有螺旋位错线的平面都可以是其滑移面。 螺旋位错线周围的晶格也弹性变形，但只有与位错线平行的剪切变形，没有正变形，没有引起体积膨胀和收缩，在与位错线垂直的平面心理投射中，看不到原子的位移，看不到缺陷。 由于螺型位错周围的晶格应变随距位错线的距离的增加而急剧减少，因此也是包含几个原子宽度的线缺陷。 螺型位错的特征在于，滑动向量既不平行也不垂

9、直于位错线，与位错线交叉的角度是任意的，因此将此错位称为混合错位，参照图1.3。、4 .混合错位，混合位错线是曲线，在a中，位错线与滑动向量平行，因此在作为螺型位错的c中，位错线与滑动向量垂直，因此是刃型位错。 a和c之间，位错线既不垂直也不平行于滑动矢量，小段位的位错线可以分解成刃型和螺旋型2个部分，因而出现了混合变位。 因为位错线是滑动区域和不滑动区域的界限线，所以位错线不能在结晶内部停止，只出现在结晶表面和晶界。 它在结晶内部结束的话，一定会和其他的位错线连接，在结晶内部形成封闭线形成位置偏离环。 参见图1.4。 位错环各处的变位构造的类型，a、b两处为刃型位错，c、d两处为螺旋状变位，

10、其他各处为混合变位等，可以根据各处的位错线方向和滑动矢量的关系进行分析。有纯刃型变位环，无纯螺旋型变位环。 也就是说，刃状位错线可以是直线，曲线螺旋位错线只是直线，不是曲线。 1.burgervector的决定柏木矢量可以用柏木回路决定，图1.5(a )、(b )分别是含有一个刃型位错的实际结晶和参考用的不含变位的完全结晶。 1.2决定变位的构造特征、变位柏氏矢量的方法，首先选择位错线()的顺方向，通常将纸面的方向规定为位错线的顺方向。 在实际的结晶中，从任意原子围绕位错以一定的步数逆时针闭环MNOPQ称为柏氏回路，如图1.5(a )所示。 如果在完整的晶体中以相同的方向和步长制作相同的电路，

11、则该电路不闭合，从终点q向起点m减去矢量b，关闭该电路，则成为图1.5(b )。 该矢量b是实际晶体中位错的柏氏矢量。 由图1.5可知，刃型位错柏氏向量垂直于位错线，是刃型位错的重要特征之一。 刃型位错的正负由右手定则决定，如图1.6所示。 由、右手的大拇哥、食指和中指构成垂直角坐标，食指指位错线的方向，中指指柏氏矢量的方向，大拇哥的方向表示多馀半原子面的方位，大拇哥上规定为正刃型位移，反过来规定为负刃型位移。 图1.7表示，螺型位错柏氏矢量也可以用同样的方法决定。 由图可知，螺型位错的柏氏矢量规定为与位错线平行，b和位错线与正方向平行的为右螺型位错，b和位错线与反方向平行的为左螺型位错。 杂

12、交重排的柏氏矢量既不垂直也不平行于位错线，与其交叉形成角，可以分解为平行于垂直和位错线的刃型成分(be=bsin )和螺旋型成分(bs=bcos )。 柏氏向量的表现，柏氏向量的大小和方向可以用晶轴上的成分，即晶格向量a、b、c来表示。 关于立方晶系晶体，因为a=b=c，所以可以用与柏氏矢量b同方向的晶体取向指数表示。 例如，柏氏向量表示与从体心立方晶原点到体心的向量相等时，可写为b=a/2 b/2 c/2、b=a/2111。 在典型的立方晶系中，柏氏向量可由b=a/n表示为正整数。 通常，柏氏向量的大小(即位错误强度)用下式表示。 对于一定的变位，其柏氏矢量是一定的，被称为保存性。 反映在三

13、个方面： (1)位错线只有一个柏氏矢量。 3 .柏氏向量的保存性(Conservation )，如图1.9所示，有一个位错线AO，柏氏电路为B1，其柏氏向量为B1，移动到节点o后，分为两个转位OB和OC，其柏氏向量分别为b2和b3、b2 1根位错线分成2根时，表示其柏氏矢量只有1个。 证明：如图1.10所示，设置位错环ABCD，将其分为ABCEA和AECDA两个部分，其柏氏向量分别为b1和b2，这表示两个部分的结晶变形不同，中间出现一个柏氏向量为b3的重排。 现在： CDA动作，ABC不动作，出现b3，在a，b1分解为b2和b3，b3=b1-b2； 同样地，CDA不动作，ABC也动作，b3也出现，在a，b2被分解为b1和b3，b3=b2-b1。 实际上没有AEC，只有ABCD重排环，所以b3=0，b1=b2，即重排环只有一个柏氏向量。 (2)变位环只有一个柏氏向量。 (3)多个位错相遇而指向相同的节点或者离开相同的节点，它们b的和等于0。 如图1.11所示，如果四条位错线都指向o点，则证明b1 b2 b3 b4=0，即