材料成型金属学位错的运动.ppt

1、,Deformed microstructure of Ti3Al-Nb alloy (TEM ) 位错环 dislocation loop,在金属材料中，退火状态下，接近平衡状态所得到的材料，这时位错的密度较低，约在106-8的数量级； 经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1011-12的数量级。,位错密度,位错的应力场：位错中心原子错排严重，且位错周围的原子也相应偏离平衡位置 形成应力场。 stress field 位错的应变能：位错周围点阵畸变引起弹性应力场，导致能量升高。 strain energy,位错的线张力 line tension,其作用是使位错变直降低位错能量 相当于物质弹性

2、称之为位错的弹性性质 类似于液体为降低表面能产生的表面张力。,位错应变能与位错线长度成正比。为降低能量，位错线具有尽量缩短其长度的倾向，从而使位错产生线张力。,定义：每增加单位长度的位错线所做的功或增加的位错能 位错的线张力。,如果受到外力或内力的作用，晶体中的位错将呈弯曲弧形。 为达到新的平衡状态，位错弯曲所受的作用力与其自身的 线张力之间必须达到平衡。 -位错的向心恢复力,保持位错线弯曲所需的切应力与曲率半径成反比,曲率半径越小, 所需的切应力越大,这一关系式对于位错的运动及增殖有着重要的意义.。,1.5 位错的运动与 晶体的塑性变形,位错滑移机制,滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结

3、果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动时, 晶体产生滑移。 通过位错的移动实现滑移时： 1 只有位错线附近的少数原子移动； 2 原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小。,Movement of an edge dislocation across the crystal lattice under a shear stress. Dislocations help explain why the actual strength of metals

4、 in much lower than that predicted by theory.,Requires lower shear stress to cause slip than a plane in a perfect lattice: 1. Earthworm moves forward through a hump that starts at the tail and moves toward the head; 2. Moving a large carpet by forming a hump at one end and moving it to the other end

5、. The force required to move a carpet is much less than that required to slide the carpet along the floor.,Movement of an Edge Dislocation 刃位错的运动,刃型位错滑移,a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） 外力 / b，位错线 ，位错线运动方向/ d） 一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e) 滑移面唯一。,螺位错滑移,螺位错无多余半原子面，只能滑移。,在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向相

6、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；,螺型位错的滑移没有固定的滑移面，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，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移。,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；,反应在晶体表面上即产生了一个台阶；,与刃型位错一样，由于原子移动量很小，移动它所需的力很小。,螺位错滑移特点：,a）

7、 位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） / b，位错线/ ，位错线运动方向 ； d） 一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e） 滑移面不唯一。,位错扫过滑移面引起晶体宏观滑移量,切应变：,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，而位错由12 经过不对 称状态，位错必越过一势垒才能前进。,位错滑移时的晶格阻力,连续介质模型：不能反映位错中心的情况,派尔斯-纳巴罗：半点阵模型(semi-lattice) 在简单四方晶体中形成一个刃型位错 计算位错的中心宽度，计算出使位错在

8、晶体中开始运动所需的切应力。 P-N模型：滑移面视为点阵结构；滑移面外仍为连续弹性介质。,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。派纳力（p）实质上是周期点阵中移 动单个位错所需的临界切应力。近似计算得：,式中b为柏氏矢量的模，G：切变模量， ：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-，a为面间距,1）通过位错滑动而使晶体滑移，p 较小 ,一般ab， 约为0.3， 则p为（10-310-4）G，仅为理想晶体的1/1001/1000。 2）p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

9、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随位错宽度减小而增大。 强化金属途径： （1）建立无位错状态； （2）引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。,(111) Plane FCC,设想位错受到一种力而运动（实际上位错是一种原子组态， 力是作用于晶体中的原子）。 使位错发生运动的力称为位错运动的驱动力。 注意：驱动力不必一定是外力，晶体内部质点、界面或其它位错 引起的应力 位错滑移的驱动力性质：仅当有切应力作用在一个位错的滑移 面上，并且平行于它的柏格斯矢量方向的时候，位错才受滑移 驱动力的作用，这个位错才会运动或者趋于运动。柏格斯矢量 方

10、向没有切应力分量的所有位错不运动。,位错滑移的驱动力,滑移的特点,刃型位错和螺型位错均可滑移； 只有切应力才能引起位错滑移； 刃型位错只有一个滑移面，螺型位错有多个滑移面； 滑移运动是保守运动，即不改变晶体的体积。,攀 移,位错的正攀移过程,攀移-刃型位错垂直于滑移面方向的运动。,攀移的本质：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。,攀移通过原子的扩散来实现。,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。

11、,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，位错发生负攀移。,位错攀移 dislocation climb,空位迁移,晶体中空位的迁移通过空位与它周围原子交换实现,空位,空位,攀移的特点,1.螺型位错不能攀移； 2.攀移是半原子面的缩小或扩大。半原子面缩小为正攀移，扩大为负攀移； 3.正应力使位错发生攀移运动； 4.攀移发生体积改变，是非保守运动； 5.在攀移过程中伴随着空位或原子的迁移，比滑移难于进行，一般在高温条件下发生。,化学力：如晶体中有过剩的点缺陷，譬如空位，单位时间内跳到位错上的空位（原子）数就要超过离开位错的空位（原子）数，产生驱动力； 弹性力：多余半原子

12、面缩小、膨胀过程中，如果有垂直于多余半原子面的弹性应力分量，它就要作功。 位错攀移的驱动力为两者之和。,位错攀移的驱动力及产生,位错攀移 dislocation climb,SLIP (OR GLIDE) VS. CLIMB 滑移与攀移,Slip is relatively easy, but climb is slower since vacancies must diffuse to/from the dislocation. 难易程度？,Slip can be blocked by large precipitates. Blocking dislocations increases strength but lowers ductility.,Climb allows dislocations to move around obstacles., Cross-Slip: 交滑移,b,b,b,Primary slip plane,Cross slip plane,edge,= Disloca