5-34 空位与位错.ppt

1、2.3 柏氏矢量,柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，表示位错区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度，这个物理量是矢量 1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量” 用b 表示,2,柏氏矢量的确定方法,1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致 3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步法作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”,刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量,刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量 (

2、a)含有位错的晶体；(b)供比较用的理想晶体,4,确定刃型位错的右手法则,5,螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量,螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量,6,螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量,螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量,7,从柏氏矢量和位错线之间取向关系确定位错类型,(1) 刃型位错：柏氏矢量与位错线相垂直 (2) 螺型位错：柏氏矢量与位错线相平行，柏氏矢量与位错线同向的则为右螺型位错，柏氏矢量与位错线反向的则为左螺型位错 (3) 混合位错：柏氏矢量与位错线成任意角度,位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质,8,螺型位错类型判断,确定左、右螺型位错类型右手法则,1）表征位错线的性质 据b与位错线的取向关

3、系可确定位错线性质 2）b表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中 包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。 3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定； 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。,柏氏矢量b的物理意义,10,混合位错的柏氏矢量,11,位错是滑移区和未滑移区的边界，位错的畸变是由滑移面上局部滑移引起的，所以滑移区上滑移的大小和方向应与位错线上原子畸变特征是一致的。 柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后，晶体上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量。 对

4、于刃型位错，滑移区的滑移方向正好垂直于位错线，滑移量为一个原子间距，而螺型位错的滑移方向则平行于位错线，滑移量也是一个原子间距，它们正好和柏氏矢量完全一致。 柏氏矢量为讨论塑性变形提供了方便，对于任意位错，不管其形状如何，只要知道它的柏氏矢量，就得知晶体滑移的方向和大小，而不必从原子尺度考虑其运动细节。,柏氏矢量b的物理意义,1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关。 一条位错线只有一个柏氏矢量 2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零。,柏氏矢量特征,13,

5、三位错线相遇于一点,14,位错密度,位错密度计算示意图,中南大学 柏振海,15,位错的密度,单位体积内位错线的总长度 =L/ s=N/s(单位面积位错露头数) s =（当位错线全部平行时） 2s =（当位错线方向任意时） 退火良好的金属晶体，=106108cm-2,剧烈冷加工金属=10101012cm-2，细心制备和处理的半导体材料，约为106cm-2,甚至为0,2.4 位错的运动,晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来实现的。 当晶体中存在位错时，只需用一个很小的推动力便能使位错发生滑动，从而导致金属的整体滑移，这揭示了金属实际强度和理论强度的巨大差别。 金属的许多力学性能均与位错运动密切相关。

6、,17,位错的易动性,处于1或2处的位错，其两侧原子处于对称状态，作用在位错上的原子互相抵消，位错处于低能量状态。,18,位错滑移时的晶格阻力,派一纳力（p-N）实质上是指周期点阵中移动单个位错所需的临界切应力，其近似计算式为： (2-5) 式中：b为柏氏矢量；G为切变模量；为泊松比；w为位错宽度，它等于a/(1-)；a为滑移面的面间距。,19,位错由12经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。位错移动受到一阻力点阵阻力，又叫派纳力（Peirls-Nabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。,位错运动阻力派纳力,派纳力,1）通过位错滑动而使晶体滑移，p 较小一般ab，v约为0.3，则p

7、为（10-310-4）G，仅为理想晶体的1/1001/1000。 2）p-N随a值的增大和b值的减小而下降，在晶体中，原子最密排面其面间距a为最大，原子最密排方向其b值为最小，可解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行。 3）p-N随位错宽度减小而增大。 可见总体上强化金属途径：一是建立无位错状态，二是引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。,21,位错运动的其它阻力,除了派纳力之外，还有其它阻力： 1.其它位错应力场的长程内应力作用；位错运动时发生交截，形成割阶、空位、间隙原子、位错反应等。 2.其它外来原子阻力，如位错线周围的溶质原子聚集的短程阻力，第二相粒子对位

8、错运动的长程阻力。 3.高速运动位错（超过该介质中声速的1/10）还受到其它阻力。 a.热弹性阻力：高速运动可看成绝热过程，一边快速压缩导致温升，一边快速膨胀导致温度降低，温差使机械能转变为热能，引起阻力。 b.辐射阻力：运动时在势能峰谷间起伏，遇到峰减速，遇到谷加速，周期性的加速、减速散射弹性波，损失能量，带来阻力。 c.声波散射阻力：运动位错与声波作用，一是位错中心非线性应变区直接散射声子，二是声波在位错线上使位错振荡向外辐射弹性波。,2.4.2 刃型位错的运动,滑移：位错线在滑移面上的运动，如右图，位错线移动到晶体表面时，位错即消失，形成柏氏矢量值大小的滑移台阶,刃型位错运动的两种方式：

9、滑移、攀移,23,刃型位错的滑移,24,位错线的滑移,刃型位错的滑移,25,位错线的滑移,切应力作用下，位错线AB沿着位错线与柏氏矢量所确定的唯一平面滑移，当AB位错线移动至晶体表面时位错消失，形成一个原子间距的滑移台阶，其大小相当于一个柏氏矢量的值。如果有大量位错重复此过程，就会在晶体外表面形成肉眼可见的滑移痕迹 位错的滑移不会引起晶体体积的变化（V=0），称为保守运动或守恒运动。,26,刃型位错的攀移,攀移-刃型位错垂直于滑移面方向的运动,攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下运动，于是位错线亦向上或向下运动。 通常把半原子面向上移动称为正攀移，半原子面向下移动称为负攀移。攀移的机理与滑

10、移不同，它是通过原子的扩散来实现的。 空位反向扩散至半原子面的边缘形成割阶，随着空位反向扩散的继续，当原始位错线被空位全部占据时，原始位错线向上移动了一个原子间距，即刃型位错发生正攀移，同理，原子扩散至刃型位错半原子面的下方，使整条位错线下移了一个原子间距，位错发生了负攀移。,27,刃型位错的攀移,位错的正攀移过程,空位和原子的扩散，引起晶体体积变化，叫非守恒（非保守）运动。 影响攀移因素： 温度 温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行。 正应力 垂直于额外半原子面的压应力，促进正攀移，拉应力，促进负攀移。,攀 移,2.4.3 螺型位错的运动,螺位错无多余半原子面，只能作滑移,在切应力作用下

11、，位错线沿着与切应力方向相垂直的方向运动，直至消失在晶体表面，只留下一个柏氏矢量大小的台阶。 螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行。 对螺型位错的滑移而言，它没有一个固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线为共同转轴的滑移面，所以螺型位错不象刃型位错那样具有确定的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移。,30,螺型位错的运动,螺型位错滑移时周围原子的移动情况 代表下层晶面的原子，代表上层晶面的原子,原位错线处在1-1处，在切应力作用下，位错线周围的原子作小量的位移，移动到虚线所标志的位置，即位错线移动到2-2处，表示位错线向左移动了一个原子间距，反映在晶体

12、表面上即产生了一个台阶。它与刃型位错一样，原子移动量很小，移动所需的力也很小。,31,确定位错运动方向的右手法则,32,2.4.4 混合位错的运动,混合位错是刃型位错和螺型位错的混合型，其运动亦是两者的组合。,33,混合位错的滑移过程,1点为纯螺型位错，2点为纯刃型位错，12表示混合位错。在外力作用下滑移区不断扩大，当12位错线在滑移面上滑出晶体后，使上下两块晶体沿柏氏矢量方向移动了一个原子间距，形成了一个滑移台阶。,34,混合位错运动,35,位错环的运动,位错在滑移面上自行封闭形成位错环，位错环的柏氏矢量正好处于滑移面上。 符号相反的混合位错在同一切应力作用下滑移方向正好相反。,36,位错环

13、的运动,位错环的运动方向是沿法线方向向外扩展,当位错环逐渐扩大而离开晶体时，晶体上、下部相对滑动一个台阶，其方向和大小与柏氏矢量相同； 位错环也可能反向运动而逐步缩小至位错环消失，这取决于切应力的方向。,37,混合位错的运动,混合位错包含螺型位错，所以只能滑移，不能攀移。,38,例题,已知位错环ABCDA的柏氏矢量为b，外应力为和，如图4-19所示。求：位错环的各边分别是什么位错？如何局部滑移才能得到这个位错环？在足够大的剪应力作用下，位错环将如何运动？晶体将如何变形？在足够大的拉应力的作用下，位错环将如何运动？它将变成什么形状？晶体将如何变形？,39, 根据前述中的规则，AB是右旋螺位错，CD是左旋螺位错，BC是正刃型位错，DA是负刃型位错。 设想在完整晶体中有一个贯穿晶体的上、下表面的正四棱柱，它和滑移面MNPQ交于ABCDA。现让ABCDA上部的柱体相对于下部的柱体滑移b，柱体外的各部分晶体均不滑移。这样，ABCDA就是在滑移面上已滑移区（环内）和未滑移区（环外）的边界，因而是一个位错环。,解 题,40,在剪应力作用下位错环上部的晶体将不断沿X轴方向（即b的方向）运动，下部晶体则反向（沿-X轴