材料微观结构第四章晶体中的位错与层错2

1、上节课内容回顾上节课内容回顾l根据原子的滑移方向和位错线取向的几何根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错可以分为哪几种类型？都特征不同，位错可以分为哪几种类型？都是什么样的？是什么样的？l什么是柏氏矢量什么是柏氏矢量b？能量最稳定的能量最稳定的b是怎样是怎样的？的？l位错按照位错按照b是否为点阵周期的整数倍可以分是否为点阵周期的整数倍可以分为哪几种位错，哪一个能量上最稳定？为哪几种位错，哪一个能量上最稳定？4.3.3 全位错分解、层错、扩展位错全位错分解、层错、扩展位错与与全位错全位错的分解密切相关的分解密切相关不全位错不全位错（层错和完整晶体的边界）位错反应位错反应具有很高的能量

2、具有很高的能量,因此它是不稳定的因此它是不稳定的.在在实际晶体中实际晶体中,组态不稳定的位错可以转化为组组态不稳定的位错可以转化为组态稳定的位错态稳定的位错,这种位错之间的相互转化称为这种位错之间的相互转化称为位错反应位错反应.位错反应的结果是降低体系自由能位错反应的结果是降低体系自由能.位错反应的可能性位错反应的可能性(1) 几何条件：b前=b后 反应前后分矢量之和必须相等。(2) 能量条件： b2前b2后 位错反应后应变能必须降低，此是反应驱动力。以以a/2-110a/6-12-1+a/6-211为例为例(1) 几何条件 反应前：a/2-110反应后：a/6-12-1+a/6-211=a/

3、6-330=a/2-110b前=b后(2) 能量条件 反应前： b2前=a/2SQRT(-1)2+12+02)2=a2/2反应后： b2后=a/6SQRT(-1)2+22+(-1)2)2 + a/6SQRT(-2)2+12+12)2 =a2/3b2前b2后该位错反应能够进行1.FCC中的层错与扩展位错中的层错与扩展位错(1)FCC层错的基本类型，如层错的基本类型，如Al, Cu, Ag, AulFCC金属密排面金属密排面111正常堆垛顺序是正常堆垛顺序是ABCABCABCl如果不按正常顺序出现如果不按正常顺序出现ABCABABC或或ABCABACABC，即少，即少了了C或多了或多了A，出现错排

4、，出现错排，就会有层错。就会有层错。1.抽出型层错抽出型层错(内禀型内禀型)2.插入型层错插入型层错(外禀型外禀型)上面的上面的A层和下层和下面的面的B层崩塌向中心挤压层崩塌向中心挤压：从别处扩散来从别处扩散来的许多溶质原子，并形成了的许多溶质原子，并形成了一个多余的一个多余的A原子片层，并塞原子片层，并塞进了正常顺序的进了正常顺序的BC之间，使之间，使得中央部分出现了得中央部分出现了BAC这样这样的三层错排。的三层错排。图图48(b)(c)均标有均标有“”，相对于其左右正，相对于其左右正常排列的常排列的ABCABC来说，来说，显然发生了不全位错，称显然发生了不全位错，称为为Frank不全位错

5、不全位错，为纯刃型，为纯刃型位错。位错。通过密排面原子的定向切变滑通过密排面原子的定向切变滑移，也能改变密排面的正常排移，也能改变密排面的正常排列顺序。切变滑移量列顺序。切变滑移量b=1/6，是为，是为。如图。如图4-8(d)所示，把所示，把(-111)面上任一层原子中的各面上任一层原子中的各C位位置的原子均沿置的原子均沿-211方向滑移方向滑移1/6-211距离达到相应的距离达到相应的A位置，位置，此此C层以上各层原子作顺序滑移：层以上各层原子作顺序滑移：ABCA，这样便得到了，这样便得到了ABCABABCABCABC顺序，顺序，和上述抽出和上述抽出C层的结果是相同的。层的结果是相同的。3.

6、 孪晶孪晶ABCAB BACBA可以看出以可以看出以C为中心，左右侧的排列是镜向对称为中心，左右侧的排列是镜向对称的，称为孪晶，又叫反映型层错的，称为孪晶，又叫反映型层错图图4-9 面心立方晶体中面心立方晶体中111面面反映孪晶反映孪晶的的110投影投影图图 沿着孪晶界面，沿着孪晶界面，孪晶的两部分完全密孪晶的两部分完全密合，最近邻关系不发合，最近邻关系不发生任何改变，只有次生任何改变，只有次近邻关系才有变化，近邻关系才有变化，引入的原子错排很小，引入的原子错排很小，称共格孪晶界面。孪称共格孪晶界面。孪晶界面的能量约为层晶界面的能量约为层错能之半。错能之半。 l若晶体以全位错b=a/2-101

7、向右滑移，则C层原子应该从左C到右C，需要越过一个“脊”，能量较高。l若从左C右下方A右C，分两步走，也可达到同样目的。l即全位错分解为两个不全位错：a/2-101a/6-211+a/6-1-12l从几何条件上看：从几何条件上看： a/6-211+a/6-1-12 a/6-303=a/2-101lb前前=b后后l从能量上看，从能量上看，la/2-1012a/6-2112+a/6-1-122l即即a2/2a2/6+a2/6，也是可行的。，也是可行的。a/2-101a/6-211+a/6-1-12l由图可知，由图可知，a/6-211和和a/6-1-12两个不全位错之间的两个不全位错之间的夹角为夹角

8、为60度，它们之间有度，它们之间有一斥力，因相斥而分开，中一斥力，因相斥而分开，中间夹着一片层错，两不全位间夹着一片层错，两不全位错加它们中间的层错，便是错加它们中间的层错，便是。l两个不全位错之间的宽度两个不全位错之间的宽度d扩展位错扩展位错-通常把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通常把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称为扩展位错错组态称为扩展位错照片照片61Nimonic高温合金高温合金基体中的扩展位错基体中的扩展位错（a）BF（b）220/660WBDF照片照片9Ni基基(6.7%)超合金中的扩展位错超合金中的扩展位错位错从位于位

9、错从位于A、B、C处的源出发，沿处的源出发，沿110方向扩展方向扩展l层错给予两个不全位错一个吸力层错给予两个不全位错一个吸力l不全位错又存在一个斥力不全位错又存在一个斥力kdbGbF821平衡后，决定了扩展位错宽度平衡后，决定了扩展位错宽度G为材料切变模量；为材料切变模量；为层错能；为层错能；k是一个决定于分解反应前全位错类型是一个决定于分解反应前全位错类型的常数，的常数，F= 时，获得平衡的扩展位错宽度时，获得平衡的扩展位错宽度d:kbGbd821)cos221 (121kn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，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

10、距缩小，这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这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 （即层错（即层错能）能） kbGbd821(2) 扩展位错与束集扩展位错与束集 当扩展位错区遇到障碍当扩展位错区遇到障碍(杂质原子、第二相粒子、位错林杂质原子、第二相粒子、位错林等等)，这些区域能量升高，扩展位错在此处宽度缩小，甚至成，这些区域能量升高，扩展位错在此处宽度缩小，甚至成为节点，称为为节点，称为，如图，如图C点。此处原来分解了的两个不全点。此处原来分解了的两个不全位错重新合并成为全位错。位错重新合并成为全位错。形成束集所需之能量形成束集所需之能量1.不全位错间距

11、缩小2.束集附近位错形成弧线增加了应变能3.因为位错线增长而增加的能量不同金属的扩展位错的平衡宽度不同，束集能也各异，夏克和西格测得铝和铜的束集能是：Al: 刃=0.21eV 螺=0.11eVCu: 刃=3.9eV 螺=0.84eV(3) 扩扩展展位位错错与与交交滑滑移移扩展位错束集“2L0”长的位错到另一个面上滑移和扩展在交滑移过程中，相应于在交滑移过程中，相应于(a)图状态所需图状态所需之激活能为：之激活能为：E=Ec+2L0E0lEc为束集能，E0为单位长度扩展位错合并成全位错所需之能量。全位错长度达不到2L0不能在新滑移面上运动。这正好说明了宏观实验时达不到临界切应力就不能开始滑移的现

12、象。l扩展位错的交滑移比一般全位错的交滑移要困难得多。金属层错能愈低，扩展位错宽度愈大，束集愈困难，金属层错能愈低，扩展位错宽度愈大，束集愈困难，交滑移愈难。反之层错能愈高，易于交滑移。交滑移愈难。反之层错能愈高，易于交滑移。l由此可以解释FCC金属形变过程中的许多现象。l例如奥氏体不锈钢，层错能很低，交滑移困难，使得即使在大变形量下，位错也只局限在滑移面上。l铝的层错能很高，位错易于通过交滑移，使大部分螺位错滑移到相交的滑移面上，排列成小角晶界。晶界和相界的衬度晶界和相界的衬度 l等厚条纹衬度不只出等厚条纹衬度不只出现在楔形边缘等厚度现在楔形边缘等厚度发生变化的地方，两发生变化的地方，两块晶

13、体之间倾斜于薄块晶体之间倾斜于薄膜表面的界面上，例膜表面的界面上，例如晶界、孪晶界和相如晶界、孪晶界和相界面，也常常可以观界面，也常常可以观察到。察到。晶界和相界的衬度晶界和相界的衬度l这是因为此类界面两侧的晶体由于位向不同，或者还这是因为此类界面两侧的晶体由于位向不同，或者还由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，另一边的衍射条件不可能是完全相同的，也可能是处另一边的衍射条件不可能是完全相同的，也可能是处于无强衍射的情况，那么这另一边的晶体只相当于一于无强衍射的情况，那么这另一边的晶体只相当于一个个“空洞空洞”，等厚条纹将由此而产生。，等厚

14、条纹将由此而产生。l当然，如果倾动样品，不同晶粒或相区之间的衍射条当然，如果倾动样品，不同晶粒或相区之间的衍射条件会跟着变化，相互之间亮度差别也会变化，因为那件会跟着变化，相互之间亮度差别也会变化，因为那另一边的晶体毕竟并不是真正的孔洞。另一边的晶体毕竟并不是真正的孔洞。 条纹衬度特征比较条纹衬度特征比较界面条纹界面条纹平行线平行线 非直线非直线 间距不等间距不等孪晶条纹孪晶条纹平行线平行线 直线直线 间距不等间距不等层错条纹层错条纹平行线平行线 直线直线 间距相等间距相等2. BCC中的层错与扩展位错中的层错与扩展位错(1) BCC中的孪晶：孪生面是112，孪生方向是将(1-10)面躺平，原

15、子在(1-10)面上的投影如下图所示，“”和“”分别代表上下两层原子。图中由左上指向右下方的实线是(112)面在(1-10)面上的投影迹线。BCC(112)面各原子层的堆垛顺序是：A1A2B1B2C1C2 A1A2B1B2C1C2。 每两个相邻的每两个相邻的(112)面的间距为面的间距为a/6112，但彼此相对位移一个矢量，但彼此相对位移一个矢量，此矢量在此矢量在11-1和和1-10方向的分量分别为方向的分量分别为a/611-1和和a/21-10。下。下图表示的是以图表示的是以C2表示的表示的(112)为镜面，为镜面，(1-10)面的原子沿面的原子沿11-1方向滑方向滑移移1/611-1或沿反

16、方向滑移或沿反方向滑移1/3-1-11而形成的。而形成的。孪晶的切变为：孪晶的切变为：21123 11132111261116aaaa或这和莫特1951年在-Fe中的观察结果一致。(2) BCC全位错的分解与层错全位错的分解与层错BCC中全位错的分解中全位错的分解lBCC金属的滑移方向是，全位错柏氏矢量为a/2。l滑移面有三种类型110(3个同族面)、112(3个)和123(6个)，它们都包含方向。这些面都 会相交于一个方向，所以BCC会经常出现交滑移。l电镜中会经常看到波纹状的滑移线，这说明层错能很高，扩展位错宽度d很小，一般观察不到。至今未见这方面的报道。BCC中还有一种次短全位错中还有一

17、种次短全位错a111 21112100aaa110010100100111 21112aaaaaa若按下式分解：容易计算反应前后的能量分别为a2和3a2/2，能量升高，不可取。但下述反应可以进行：BCC中的全位错存在着分解的可能性中的全位错存在着分解的可能性l即它的，晶体单向压缩和同一晶向拉伸时可观察到不同的滑移面。这说明在某一滑移面上沿某一方向运动所需之切应力与在此滑移面上沿相反方向运动所需之切应力是不同的。由此推测BCC金属中全位错芯区的原子弛豫状况是不对称的。这种位错芯区弛豫不对称，说明在一定外力条件下，全位错仍然可能分解。BCCa/2全位错的分解全位错的分解l在a/2全位错的诸多可能分

18、解中，从能量上考虑应是形成a/6不全位错的那些分解。因为从能量上考虑，这样的反应是可以自动进行的。222212512343111611131112aaaaaaaBCC中中a/2型全位错的分解，主要结论如下：型全位错的分解，主要结论如下：l若a/6沿112扩展，将形成如左图所示的孪晶薄层。这时的领先位错为a/311-1，此方向正好是孪生的逆方向，原子错排严重，层错能很高，分解将是不稳定的。若全位错平行于若全位错平行于111，则为螺位错，分解可，则为螺位错，分解可按下式进行：按下式进行：三个a/6111位错分别扩展到三个相交的112面上，如图(a)(b)，此时分解后的位错组态极不稳定，以致常转成非

19、对称分布，如图(c)。1116111611161112aaaa全位错全位错a/2111在在110上运动，可以通过下上运动，可以通过下述反应完成：述反应完成：1108112411081112aaaa321bbbbBCC中的层错中的层错lBCC完整晶体的112堆垛顺序为A1A2B1B2C1C2A1A2，有时也记作ABCDEFAB，当112堆垛顺序发生错排时，便形成层错，分三种情况：第一种情况第一种情况参看图4-11(c)，正常排列顺序中，若C1层上面的晶体相对下面晶体作a/611-1或a/3-1-11位移，便产生内禀层错，如图4-14(a),其顺序是A1A2B1B2C1C2C1C2A1A2B1B2

20、C1C2，这相当于正常顺序中插进C1C2两层。而C2C1C2正好是一个三原子层的薄导孪晶。这相当于FCC中的插入型层错。第二种情况第二种情况参看图4-14(b)，若正常排列中某C1的原子层作a/311-1或a/6-1-11滑移，此时C1层变成了A1层，以后各层顺序位错a/311-1或a/6-1-11，就得到图4-14(b)的新排列：C1C2A1A2B1B2A1A2B1B2C1C2，这相当于正常顺序中抽出了C1C2，其结果是形成了四层层错A1A2B1B2，这和FCC的抽出型层错相当。第三种情况第三种情况参看图4-11(d)，这是BCC层错的特例，也是典型的BCC孪晶排列。形成过程是含中间的C2的上半部各层