(推荐)(材料科学基础)位错反应和扩展位错

1、(推荐)(材料科学基础)位错反应和扩展位错第第 三三 章章 晶晶 体体 缺缺 陷陷 （六）（六） 实际晶体结构中的位错实际晶体结构中的位错烟台大学烟台大学 秦连杰秦连杰e-mail：面心立方晶体中的典型位错面心立方晶体中的典型位错柏氏矢量柏氏矢量1102a1126a1113a位错类型位错类型刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混纯刃纯刃位错线形状位错线形状空间曲线空间曲线111面面上任意曲线上任意曲线111面面上任意曲线上任意曲线可能运动方式可能运动方式滑移、攀移滑移、攀移只滑不攀只滑不攀只攀不滑只攀不滑位错名称位错名称全位错全位错肖克莱位错肖克莱位错弗兰克位错弗兰克位错 4. 位错反应位错

2、反应(dislocation reaction) ：4. 位错反应位错反应v实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定的位错的位错; v具有不同具有不同b的位错线可以合并为一条位错线；反之，的位错线可以合并为一条位错线；反之，一条位错线也可以分解为两条或多条具有不同一条位错线也可以分解为两条或多条具有不同b的位的位错线。错线。v位错反应位错反应位错之间相互转换位错之间相互转换( (即柏氏矢量的合成与即柏氏矢量的合成与分解分解) )。位错反应能否进行取决于两个条件：位错反应能否进行取决于两个条件： 几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量

3、和。几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。后前bb 能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量，这是热力学定律所要求的。能量，这是热力学定律所要求的。22bb后前b1b2b3注意：注意：b的方向与规定的的方向与规定的的正向有关。的正向有关。所以位错反应中，一般规定所以位错反应中，一般规定反应前位反应前位错线指向节点，反应后离开节点。错线指向节点，反应后离开节点。2eeb一个位错分解成两个或多个具有柏氏矢量的位错，面心立方晶体中一一个位错分解成两个或多个具有柏氏矢量的位错，面心立方晶体中一个全位错分解成两个肖克莱不全位错

4、。个全位错分解成两个肖克莱不全位错。两个或多个具有不同柏氏矢量的不全位错合并成一个全位错，一个两个或多个具有不同柏氏矢量的不全位错合并成一个全位错，一个肖克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合并成一个全位错。肖克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合并成一个全位错。112621161102aaa两个全位错合并成另一全位错。两个全位错合并成另一全位错。两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：110211020112aaa110211131126aaa11121112010100aaaa1001002ab 1001001ab 1002ab 上例中：上例

5、中：结构条件：结构条件：1002a满足满足能量条件：能量条件：24a满足满足21bbb22122bbb 反应能进行反应能进行100100aa22aa 例：例：fcc中，柏氏矢量为中，柏氏矢量为 的位错能否分解成单位位错？的位错能否分解成单位位错？1212a结构条件：结构条件：011211021212aaa满足满足能量条件：能量条件：232a满足满足222 2aa1212a1102a1102a 5. 面心立方晶体中的位错面心立方晶体中的位错thompsonthompson四面体：四面体：可以帮助可以帮助确定确定fcc结构中的位错反应。结构中的位错反应。)02121(a)21021(b)21210

6、(c)000(d(b) 四面体外表面中心位四面体外表面中心位置置 121 6111261c）汤普森四面体的展汤普森四面体的展开开用于表示用于表示fcc晶体中的位错反应晶体中的位错反应 thompson四面体在四面体在fcc晶胞中的位置：晶胞中的位置：d点在坐标原点，其余点在坐标原点，其余顶点的坐标分别为，顶点的坐标分别为，a(1/2, 0, 1/2)，b(0, 1/2, 1/2)，c(1/2, 1/2, 0)。四面体四面体4个外表面（等边三角形）的中心分别用个外表面（等边三角形）的中心分别用、表示，表示，并分别对应并分别对应a、b、c、d四个顶点所对的面。这样四个顶点所对的面。这样a、b、c、

7、d、 、等等8个点中的每个点中的每2个点连成的向量就表示了个点连成的向量就表示了fcc晶体中所晶体中所有重要位错的柏氏矢量。有重要位错的柏氏矢量。)111()()111()() 111 ()()111()(abcdabdcadcbbdca1 1 1(, )6 6 31 1 1(,)6 3 61 1 1( ,)3 6 61 1 1( , )3 3 31 1( ,0)2 211( ,0, )221 1(0, )2 2(0,0,0)abcdabcdbadddc(a)(c)(b)(d)111021101210112dadbdc 101121110211012abdbdabcdcdbacdcda 由四面

8、体顶点由四面体顶点a、b、c、d（罗马字母）连成的向量：（罗马字母）连成的向量：罗罗-罗向量就是罗向量就是fcc中全位错的中全位错的12个可能的柏氏矢量个可能的柏氏矢量b adddc(a)(c)(b)(d) 由四面体顶点（罗马字母）和通过该顶点的外表面中心（不由四面体顶点（罗马字母）和通过该顶点的外表面中心（不对应的希腊字母）连成的向量：对应的希腊字母）连成的向量： 这些向量可以由三角形重心性质求得这些向量可以由三角形重心性质求得不对应的罗不对应的罗-希向量是希向量是fcc中中24个个shockley不全位错的柏氏矢量不全位错的柏氏矢量111261121612116ddd 1211611216

9、11126aaa 121161112611216bbb 112161112612116ccc b adddc(a)(c)(b)(d)4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个个1/3111型的滑移矢量。根据矢量合成规则可以求出对应的罗希向型的滑移矢量。根据矢量合成规则可以求出对应的罗希向量：量：111011211111263111110112111263111101121111263111110112111263aabbbbccccaaddaa 对应的罗希向量就是对应的罗希向量就是fcc中中8个个frank不全错的柏氏矢量。不全错的柏氏矢量。所有希希向量也都

10、可以根据向量合成规则求得：所有希希向量也都可以根据向量合成规则求得：11111211120116663ccba 同理可得：同理可得：11101631111063111106311101631101163cadacbdbdc 希希向量就是希希向量就是fcc中中压杆位错压杆位错的柏氏矢量。的柏氏矢量。b adddc(a)(c)(b)(d)面心立方中扩展位错的进一步解释面心立方中扩展位错的进一步解释： 正常堆垛正常堆垛abcabc.b位置到位置到c位置：位置：abcacb.，层错，层错 由一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。由一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆

11、垛层错的整个位错组态。 面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为面上的柏氏矢量为 的单位位错。现考虑它沿的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。面的滑移情况。 1102a 如图如图(111)面上的圆球位置为面上的圆球位置为a层位置，层位置，b层层和和c层的原子分别处于三个层的原子分别处于三个a层原子位置的低谷层原子位置的低谷位置。位置。a) 全位错的滑移全位错的滑移1012ab 若单位位错若单位位错 在切应力作用下沿在切应力作用下沿着着 (111) 在在a层原子面上滑移时，则层原子面上滑移时，则b层原子从层原子从b1位置滑动到

12、相邻的位置滑动到相邻的 b2位置，点位置，点阵排列没有变化，不存在层错现象。但需要阵排列没有变化，不存在层错现象。但需要越过越过a层原子的层原子的“高峰高峰”，这需要提供较高，这需要提供较高的能量。的能量。1012ab 101 面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为面上的柏氏矢量为 的单位位错。现考虑它沿的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。面的滑移情况。 1102a 但如果滑移分两步完成，即先从但如果滑移分两步完成，即先从 b1位置沿位置沿a原子间的原子间的“低谷低谷”滑移到邻近滑移到邻近的的c位置，即位置，即 ；然后再

13、由；然后再由c滑滑移到另一个移到另一个 b2位置，即位置，即 ，这，这种滑移比较容易。种滑移比较容易。 121611b112612bb) 及及 分位错的滑移及其间的层分位错的滑移及其间的层错错12161b11261b 第一步当第一步当b层原子移到层原子移到c位置时，将位置时，将在在 (111)面上导致堆垛顺序变化，即由面上导致堆垛顺序变化，即由原来的原来的abcabc.正常堆垛顺序变为正常堆垛顺序变为abca cabc.。这种原子堆垛次序这种原子堆垛次序遭到破坏现象称为遭到破坏现象称为堆垛层错堆垛层错。 而第二步从而第二步从c位置再移到位置再移到b位置时，位置时，则又恢复正常堆垛顺序。则又恢复

14、正常堆垛顺序。 每一步滑移造成了层错，因此，每一步滑移造成了层错，因此，层错层错区与正常区之间必然会形成两个不全位错。区与正常区之间必然会形成两个不全位错。故故 和和 为肖克莱不全位错。也就是说，为肖克莱不全位错。也就是说，一个全位错一个全位错 分解为两个肖克莱不全位错分解为两个肖克莱不全位错 和和 ，全位错的运动由两个不全位错的运，全位错的运动由两个不全位错的运动来完成，即动来完成，即 1b2bb1b2b这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行的，因为这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行的，因为110121211266aaa几何条件：几何条件： 110121211266aaa能量

15、条件：能量条件： 21bbb,2122ab22222213166aaabb22212bbbv 分解后的这两个不全位错位于同一滑分解后的这两个不全位错位于同一滑移面上，其柏氏矢量夹角是移面上，其柏氏矢量夹角是60，它，它们是互相排斥的，有分开的趋势，在们是互相排斥的，有分开的趋势，在两个不全位错之间夹了一片层错区。两个不全位错之间夹了一片层错区。v 通常我们将这种两个不全位错夹一个通常我们将这种两个不全位错夹一个层错区的组态称之为层错区的组态称之为扩展位错扩展位错。bbbbbba2116a1216a1102ab1 b2 b3 b1 b2 b3 b1= b2+ b3 + sf v 为了降低两个不全

16、位错间的层错能为了降低两个不全位错间的层错能，力求把两个不全位错的间距缩小，力求把两个不全位错的间距缩小，则相当于给予两个不全位错一个吸则相当于给予两个不全位错一个吸力，数值等于层错的表面张力力，数值等于层错的表面张力（即（即单位面积层错能）。单位面积层错能）。v 两个不全位错间的斥力则力图增加两个不全位错间的斥力则力图增加宽度宽度，当斥力与吸力相平衡时当斥力与吸力相平衡时，不，不全位错之间的距离一定，这个全位错之间的距离一定，这个平衡平衡距离便是扩展位错的宽度距离便是扩展位错的宽度 d。面心立方晶体中的扩展位错面心立方晶体中的扩展位错 当当 f 与层错能与层错能相等时，处于平衡相等时，处于平

17、衡 扩展位错的宽度扩展位错的宽度:dbbg221221bbgd层错能层错能，扩展宽度，扩展宽度d，相反则，相反则。122g b bfrdb1b2bcoagcuaualni0.020.020.040.060.200.25j/m2两个平行不全位错之间的斥力两个平行不全位错之间的斥力112621161102_aaa)111(1102abs1126_a2116av 纯螺位错在纯螺位错在 面上分解面上分解)111(1102absv 运动过程中，若前方受阻，运动过程中，若前方受阻，两个偏位错束集成全位错。两个偏位错束集成全位错。当杂质原子或其它因素使层当杂质原子或其它因素使层错面上某些地区的能量提高错面上

18、某些地区的能量提高时，该地区的扩展位错就会时，该地区的扩展位错就会变窄，甚至收缩成一个结点，变窄，甚至收缩成一个结点，又变成原来的全位错，这个又变成原来的全位错，这个现象称为现象称为位错的束集位错的束集。 束集束集可以看作可以看作位错扩展的反过程。位错扩展的反过程。2116a2116a1126_a1126_a)111(在外力作用下，扩展位错收缩成原来的全位在外力作用下，扩展位错收缩成原来的全位错的过程称为束集。错的过程称为束集。v 由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进行交滑移，扩展位错必须首先行交滑移，扩展位错必须首先束集成全螺位错束集成

19、全螺位错，然后然后交滑移到交滑移到 面上，重新分解成新的扩展位错，继面上，重新分解成新的扩展位错，继续运动。续运动。121612161102_aaa)111 (总结：总结： 在实际晶体中，由于扩展位错的形成，螺位错的交滑移在实际晶体中，由于扩展位错的形成，螺位错的交滑移比比全位错的交滑移要全位错的交滑移要困难得多困难得多，必须经束集后才能进行。晶体层，必须经束集后才能进行。晶体层错能越低，扩展位错的宽度越大，束集越困难，不易交滑移，错能越低，扩展位错的宽度越大，束集越困难，不易交滑移，因此晶体的变形抗力越大。因此晶体的变形抗力越大。)111() 111 (1216a1216a112611126

20、110121bddb211611216110121abba)111(设：设：面上有扩展位错：面上有扩展位错：)111(面上有扩展位错：面上有扩展位错：在相交滑移面上两个扩展位错的领先位错相遇而成在相交滑移面上两个扩展位错的领先位错相遇而成即（即（a）bdc面上：面上：即（即（d）abc面上：面上：反应过程反应过程bbbbbc1106110121）（001滑移面：滑移面：lomer-cottrell位错，面角位错位错，面角位错 1106112161 11261) 111(111)(111)ab1= 1012b2= 0112a面心立方结构中，在面心立方结构中，在 和和 面上有两个面上有两个全位错全

21、位错b1和和b2： (111)(111)b11b12b21b22(111)(111)两个全位错两个全位错b1和和b2发生分解，形成扩展位错：发生分解，形成扩展位错： 12111bbb22212bbb101112211266aaa+011121112266aaa+b11b3b22(111)(111)b3b12+b21在外力作用下，两个扩展位错向两个滑移面的交线处在外力作用下，两个扩展位错向两个滑移面的交线处滑移。两个领先不全位错滑移。两个领先不全位错b12和和b21在交线在交线110处相遇，处相遇，发生合成反应：发生合成反应： 211121110666aaa+面角位错面角位错反应生成两面一夹角反

22、应生成两面一夹角组态的面角位错。组态的面角位错。 32112bbb若面心立方晶体中有若面心立方晶体中有 的单位位错及的单位位错及 的不全位错，此二位错相遇后发生位错反应。问：的不全位错，此二位错相遇后发生位错反应。问：0112ab 1126ab 1、此位错反应能否进行？为什么？、此位错反应能否进行？为什么？2、写出合成位错的柏氏矢量，写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的性质。并说明合成位错的性质。解解: 几何条件几何条件 能量条件能量条件1011212221 112663aaaa33262222222abaaab后前 属于弗兰克不全位错，属于弗兰克不全位错，b与层错面和位错线垂直，与层错面和位错线垂直，故是纯刃型。