晶体缺陷-位错运动与应力场

1、1* 晶体缺陷-位错运动与应力场第4章 晶体缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 点缺陷 （Point defect）4.1.1 点缺陷的类型4.1.2 点缺陷的浓度4.1.3 点缺陷对材料性能的影响4.2 线缺陷（Line defects）4.2.1 位错的类型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位错的运动4.2.4 位错的应力场 4.2.5 位错与晶体缺陷间的交互作用4.2.6 位错的增殖与塞积4.2.7 实际晶体中的位错4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶体表面4.3.2 晶界结构与能量4.3.3 单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析

2、与晶界迁移4.3.5 相界3刃、螺型位错滑移的比较 晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量b的大小和方向，与位错线的移动方向无关。 1. 刃、螺型位错滑移的比较螺位错：位错线 b，可以有多个滑移面，无论在哪个方向移动都是滑移。螺位错的滑移面不唯一。2. 滑移系 滑移面 （哪些面？） 和此面上的一个滑移方向 （哪些方向？）。补充密排面; 密排方向6不同结构中的滑移系：滑移面和此面上的一个滑移方向fcc晶格: 密排面为111 4个 密排方向为 3个滑移系：4X312bcc：密排面为110 6个， 密排方向 2个补充73. 螺位错的交滑移 cross slip of screw dislocation

3、s （动画1）交滑移：螺位错在某一滑移面的滑移受阻时，位错可 离开原滑移面到与其相交的其他滑移面继续滑移。3. 螺位错的交滑移 cross slip of screw dislocations 螺位错的滑移面不唯一，是包含该位错线的一组晶体学晶面。 （111）（4个）（动画2）9位错运动10位错绕过粒子11Si单晶中的F-R源4. 位错环的运动 Motion of dislocation loop （1）A,B为异号刃位错，后部的半原子面在上方向后移动；前部的半原子面在下方，向前运动。（2）C,D为异号螺位错，左边向左，右边向右运动；（3）其他为混合位错，均向外运动。所有运动 上部晶体向后移动

4、了一个原子间距。所有位错 移出晶体，整个晶体上部移动了一个原子间距。无论哪种位错，最后的效果是一样的。总结：位错的运动都将使扫过的区间两边的原子层发生b的相对滑动。 14问题的提出：（1）晶体的塑性变形是通过位错的滑移进行的，那么，位错还有其它的运动方式吗？ （2）位错的类型（如：刃位错、螺位错或混合位错）对位错的运动有影响吗？ （3）位错的形态（如：直线或弧线等）对位错的运动有影响吗？4.2.3 位错的运动 Motion of dislocations 正攀移：原子面缩短，有原子多余， 大部分是空位运动到位错线上，空位消失；5. 攀移-刃位错 Climbing of edge disloca

5、tions刃位错在垂直于滑移面方向上的运动。相当于半原子面的伸长或缩短。负攀移负攀移：原子面伸长，需要外来原子， 或在晶体中产生新的空位。(1)刃位错攀移：一般发生在温度较高时。（2）切应力对攀移无效； 正应力有助于攀移。(压应力有助正攀移，拉应力有助负攀移)， 但应力对攀移的总体作用甚小。(3) 螺位错无攀移(无多余半原子面)。(4)位错滑移，晶体的体积不变（守恒运动）； 攀移后，晶体的体积会有变化（非守恒运动）。攀移的特点：第4章 晶体缺陷 Chapter 4 Crystal Defect4.1 点缺陷 （Point defect）4.1.1 点缺陷的类型4.1.2 点缺陷的浓度4.1.3

6、 点缺陷对材料性能的影响4.2 线缺陷（Line defects）4.2.1 位错的类型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位错的运动4.2.4 位错的应力场 4.2.5 位错与晶体缺陷间的交互作用4.2.6 位错的增殖与塞4.2.7 实际晶体中的位错4.3 面缺陷 (Surface defects)4.3.1 晶体表面4.3.2 晶界结构与能量4.3.3 单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析与晶界迁移4.3.5 相界位错附近晶格畸变,应力场和应变能。4.2.4 位错的应力场 stress field of dislocations 刃位错： 位错上部原子压应力，下部原子张应力，位错周围产生

7、应力场。螺位错：圆柱体区域应力场存在。 位错与其他缺陷(点缺陷,其他位错,晶界等)的交互作用是通过应力场实现的。位错的应力场弹性应变能 线张力(位错缩短的倾向)研究位错应力场的分布和能量，是研究晶体力学性能的基础。 位错总能量与位错长度成正比，位错线尽可能短线张力。 位错附近的2个区域：远离位错中心处：畸变较小，（ Ee ）一、位错的应力场模型简化为：各向同性连续弹性介质， 线弹性理论。位错中心附近：畸变严重，直接考虑晶体结构和 原子之间的相互作用。（ E0 ）假定晶体是一个连续的各向同性的弹性体，忽略位错中心点阵结构的影响。E0占1/101/15，22 螺位错的应力场模型位错的应力场模型 刃

8、位错的应力场模型螺位错的应力场：正应力分量: 无;切应力分量: 有.应变及应力与半径成反比。1. 螺位错的应力场D=Gb/2(1-)2. 刃位错的应力场2526一对平行刃位错和螺位错的应力场：无相同的应力分量 位错周围原子偏离平衡位置，处于较高能量状态；高出的能量称为位错的应变能，或简称位错能。 E0：位错中心，畸变严重， E0占1/101/15， 计算复杂，可忽略。Ee：位错应变能主要是弹性应变能Ee 。E=E0+Ee二、位错的应变能单位体积弹性能=（应力应变）/2单位长度的圆柱弹性能：螺位错弹性应变能:R是晶体的外径，r0是位错核心的半径。则： Ee=Gb2G-材料的剪切模量。-常数？螺位

9、错：取0.5； 刃位错： 取1.0； Ee=Gb2螺位错弹性应变能：刃位错的弹性应变能比螺位错大。螺位错?刃位错?的弹性应变能哪个大？刃位错： Ee=Gb2/(1-)Ee：单位长度位错的弹性应变能，和b2成正比。b最小的地方/Ee最小，位错越稳定/最易形成位错。滑移最易在密排方向上发生，此方向上b比较小。 （1）为减小应变能， 位错b尽量小。（2）为减小弹性应变能，位错趋向缩短，弯曲的位错线有变直的趋向，好像沿位错线两端作用了一个线张力T。三、位错的线张力（3）位错环会收缩， 甚至消失。（4）线张力和位错能在数量上是等价的。 T= bR =E=Gb2R是位错线曲率半径，曲线的张力是T使位错弯曲

10、的：(弯曲位错线，0.5)则 = Gb/2R. 32（4）线张力和位错能在数量上是等价的。 T=E=Gb2R是位错线曲率半径，曲线的张力是T：使位错弯曲的：2Tsin(d/2)=dF.dS= bRdT=bR根据T=E=Gb2 (弯曲位错线，0.5)则 = Gb/2R. (1)刃型位错的滑移（2）螺型位错的滑移晶体两部分的相对移动量决定于b的大小和方向，与位错线的移动方向无关。 螺型位错的交滑移刃位错的攀移运动小结：第3节 位错的运动一、位错的应力场螺位错应力场：没有正应力分量， 只有切应力分量。刃位错应力场：小结：第4节 位错的应力场35一对平行刃位错和螺位错的应力场：无相同的应力分量 刃位错螺位错不同点位错线和柏氏矢量的关系垂直。刃位错线不一定是直线，可以是折/曲线平行。螺位错线一定是直线。有无交滑移刃位错的滑移面只有一个。无（位错线和柏氏矢量垂直所以其构成的平面，不能改变）。螺位错的滑移面不是唯一的。有（位错线和柏氏矢量平行，