实际晶体中的位错解析课件

第三章实际晶体中的位错行为多种位错形式多种位错运动形式多种位错作用形式1第三章实际晶体中的位错行为多种位错形式13.1实际晶体结构中的位错类型1.全位错 柏氏矢量等于最短的点阵平移矢量的位错23.1实际晶体结构中的位错类型1.全位错233全位错可能会发生反应包括合并（Merging）与分解（Dissociation）位错反应需满足几何条件与能量条件几何条件能量条件4全位错可能会发生反应4例：5例：5全位错可通过如上过程变为扩展位错6全位错可通过如上过程变为扩展位错62.堆垛层错与不全位错正常堆垛时无晶体缺陷形成72.堆垛层错与不全位错正常堆垛时无晶体缺陷形成7层错——由于晶体的堆垛次序变化破坏了周期性机构而形成的晶体缺陷。StackingFault(SF)层错矢量为a/3<111>8层错——由于晶体的堆垛次序变化破坏了周期性机构而形成的晶体缺层错能(StackingFaultEnergy.SFE) 指形成单位面积层错所增加的能量 在数值上等于相应密排面的表面张力层错能随材料种类而不同：通常体心立方的层错能较高，面心与密排结构的层错能较低（但Al，Ni特殊）金属AgAuCuAlNiCoγ(J/cm2)0.020.060.040.20.250.029层错能(StackingFaultEnergy.SFE)堆垛层错的边界与位错紧密相连b=a/3<111>10堆垛层错的边界与位错紧密相连b=a/3<111>103.不全位错 柏氏矢量小于最短的点阵平移矢量的位错 可分为肖克莱（Shockley）不全位错与弗兰克（Frank）不全位错 以下讨论面心立方结构中的不全位错113.不全位错11沿密排面滑移形成的不全位错(ShockleyPartialDislocation)b=a/6<112>12沿密排面滑移形成的不全位错b=a/6<112>1213131414层错边缘为弗兰克不全位错插入或抽出半层密排面形成的不全位错（FrankPartialDislocation）b=a/3<111>15层错边缘为弗兰克不全位错插入或抽出半层密排面形成的不全位错b1616171718184.扩展位错 指一个位错分解成两个不全位错，其中间夹着一片层错的位错组态194.扩展位错192020扩展位错的宽度 即扩展位错中层错区的宽度 当不全位错的相互排斥作用与层错能γ引起的表面张力平衡时，扩展位错有一平衡宽度21扩展位错的宽度215.面角位错 是固定位错的一种，两个滑移面上的位错滑移相遇后发生位错反应，在滑移面相交处形成一处不能滑移的位错群的组态225.面角位错222323全位错分解领先位错反应形成面角位错——（Lomer-Cottrell）24全位错分解243.2FCC的位错反应与Thompson记号包括合并（Merging）与分解（Dissociation）位错反应需满足几何条件与能量条件几何条件能量条件253.2FCC的位错反应与Thompson记号包括合并（MThompson记号-26Thompson记号-26-27-27Thompson记号的含义四个面：{111}四面体的棱边：12个全位错的b=1/2<110>AB,CD,BD…各面顶点与中心连线：24个Shockley位错的b=1/6<112>.Aγ,Bδ,Dβ…四面体顶点与所对三角形中点连线：8个Frank位错的b=1/3<111>.Aα,Bβ,Cγ,Dδ.4个面中心相连：压杆位错1/6<110>.Αβ,αγ,αδ,βγβδ,γδ.28Thompson记号的含义四个面：{111}28Thompson记号的用途判断位错反应判断不同性质位错线的方位29Thompson记号的用途判断位错反应293.3位错的运动位错的运动实现晶体的塑性变形位错运动的难易决定晶体强度的高低位错的运动形式滑移攀移交滑移303.3位错的运动位错的运动实现晶体的塑性变形301.滑移（Slipping）保守运动位错在滑移面上滑动滑动所需应力较小311.滑移（Slipping）31刃型位错的滑移 b//τ⊥ξv//b//τ⊥ξ 滑移面： 唯一：晶体的滑移方向：

32刃型位错的滑移32螺型位错的滑移晶体的滑移方向：b//τ//ξ

v⊥(b,τ,ξ)滑移面： 多个；可以是包含位错线的任意滑移面33螺型位错的滑移33混合位错的滑移 位错线的滑移方向与位错线处处垂直晶体的滑移方向：34混合位错的滑移3435352.刃型位错的攀移(Climbing)位错在垂直于滑移面方向运动由原子或空位的扩散实现非保守运动（有体积变化）需要的能量大，高温易激活362.刃型位错的攀移(Climbing)36攀移与温度的关系1）攀移阻力单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度）减轻b，引起的体积减少为：设一个空位的体积为b3，则该体积减少对应的空位数增加为：设单个空位的形成能为u1，则攀移需要的能量为：攀移的阻力为：37攀移与温度的关系单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度）减轻b，引起的体积减少为：设一个空位的体积为b3，则该体积减少对应的空位数增加为：设单个空位的形成能为u1，则攀移需要的能量为：攀移的阻力为：38单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度）减轻b，2）攀移的驱动力之一：弹性攀移力（ClimbingForce）拉应力下，负攀移压应力下，正攀移392）攀移的驱动力拉应力下，负攀移392）攀移的驱动力之二：渗透力（Penetrability）晶体中的过饱和空位或间隙原子渗透并聚集到位错线上产生刃位错的正攀移或负攀移，该力称为渗透力。渗透力与空位或间隙原子的过饱和度有关。402）攀移的驱动力晶体中的过饱和空位或间隙原子渗透并聚集到位错设单个空位的形成能为u1，晶体中的空位数为n，原子数为N，则空位的平衡浓度C0为：空位浓度为C（C>C0）时，空位形成能u1’（u1’<u1）满足：两式取对数相减：41设单个空位的形成能为u1，晶体中的空位数为n，原子数为N，考虑攀移阻力有渗透力作用时，攀移阻力为：减小的攀移阻力即为渗透力Fs：温度越高，空位浓度越大，渗透力越大，刃位错容易攀移42考虑攀移阻力有渗透力作用时，攀移阻力为：减小的攀移阻力即为渗3.螺型位错的交滑移指螺型位错在一个滑移面上受阻时，可以选择相交的另一滑移面继续滑移的行为。双交滑移：交滑移后再次转回与原滑移面平行的滑移面上滑移波浪形滑移线433.螺型位错的交滑移波浪形滑移线43FCC的双交滑移-44FCC的双交滑移-44BCC的交滑移——共同滑移方向<111>45BCC的交滑移——共同滑移方向<111>454.扩展位错的交滑移扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展464.扩展位错的交滑移扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新-扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展47-扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展扩展位错的宽度影响其束集层错能低，宽度大，束集困难，交滑移困难48扩展位错的宽度影响其束集483.3位错其他形式作用包括：位错的增殖位错的交割带割阶位错的运动位错的平面塞积493.3位错其他形式作用包括：491.位错增殖（Multiplication）Flank-Read机制螺位错双交滑移机制501.位错增殖（Multiplication）50F-R源51F-R源515252单边位错源53单边位错源53双交滑移机制螺位错双交滑移后AC，DB成为刃型的割阶，在C,D两点使位错线CD钉扎，形成了第二个（111）面上的F-R源并不断释放新的位错。54双交滑移机制螺位错双交滑移后AC，DB成为刃型的割阶，在C,F-R源+两个单边F-R源55F-R源+两个单边F-R源552.运动位错的交割（Jogging）晶体中众多处于不同滑移面的位错线在与其他位错相遇时会相互穿越形成附加的折线（台阶）台阶与原位错具有相同滑移面时，称为扭折（Kink）台阶与原位错滑移面不同时，称为割阶（Jog）562.运动位错的交割（Jogging）561）两柏氏矢量垂直的刃型位错的交割折线PP’是一割阶：b=b2，PP’⊥b2，高度=b1，刃型，滑移面为台阶面此割阶可滑移，有阻碍作用571）两柏氏矢量垂直的刃型位错的交割折线PP’是一割阶：572）两柏氏矢量平行的刃型位错的交割折线PP’，QQ’都是扭折：PP’：b=b2，PP’//b2，高度=b1，螺型，滑移面相同QQ’：b=b1，QQ’//b1，高度=b2，螺型，滑移面相同扭折可滑移，有阻碍作用，最终因线张力作用而消失582）两柏氏矢量平行的刃型位错的交割折线PP’，QQ’都是扭折3）两柏氏矢量垂直的刃型位错与螺型位错的交割折线MM’,NN’均为割阶：MM’:b=b1，MM’⊥b1，高度=b2，刃型，滑移面不同，可滑移NN’:b=b2，NN’⊥b2，高度=b1，刃型，滑移面不同，不可滑移593）两柏氏矢量垂直的刃型位错与螺型位错的交割折线MM’,N4）两柏氏矢量垂直的螺型位错的交割均形成刃型台阶，位错运动阻力增大。604）两柏氏矢量垂直的螺型位错的交割均形成刃型台阶，位错运动阻位错交割的特点位错交割产生的台阶的大小与方向由另一位错柏氏矢量确定；台阶具有原位错线的柏氏矢量割阶的滑移面与原位错不同，阻碍原位错滑移作用强（攀移时强），是一刃型台阶，扭折滑移面与原位错相同，阻碍原位错滑移作用弱，可以是螺型或者刃型的台阶，可以在线张力作用下消失61位错交割的特点613.带割阶位错的运动台阶高度1-2a的小割阶异号小割阶相向运动对消，同号小割阶排斥为间隔一定距离的不动割阶（位错滑动将引起割阶攀移，较难）切应力较小或低温时，割阶处的位错线钉扎，其余位错线受力弯曲切应力较大或高温时，割阶产生攀移运动与原位错线一同运动，因此会有空位或间隙原子在割阶后留下623.带割阶位错的运动异号小割阶相向运动对消，同号小割阶排斥为台阶高度2-20a的中割阶割阶高度较大，攀移困难。在位错运动时除原有割阶OP外新产生两段异号刃型位错OO’与PP’形成位错偶极，由于相互吸引偶极释放出一个位错环并进一步分成小位错环，原位错重新成为带割阶的位错63台阶高度2-20a的中割阶割阶高度较大，攀移困难。在位错运动台阶高度超过20a的大割阶距离很远的两端位错线在各自的滑移面上不受影响地发展成为单边位错源，在滑移面上扫动变形的同时产生位错的增殖64台阶高度超过20a的大割阶距离很远的两端位错线在各自的滑移面4.位错的平面塞积群可以证明长为L的平面塞积群中位错的数目为：塞积群对障碍物的作用力等于障碍物作用于领先位错处的作用力：654.位错的平面塞积群可以证明长为L的平面塞积群中位错的数目为第三章实际晶体中的位错行为多种位错形式多种位错运动形式多种位错作用形式66第三章实际晶体中的位错行为多种位错形式13.1实际晶体结构中的位错类型1.全位错 柏氏矢量等于最短的点阵平移矢量的位错673.1实际晶体结构中的位错类型1.全位错2683全位错可能会发生反应包括合并（Merging）与分解（Dissociation）位错反应需满足几何条件与能量条件几何条件能量条件69全位错可能会发生反应4例：70例：5全位错可通过如上过程变为扩展位错71全位错可通过如上过程变为扩展位错62.堆垛层错与不全位错正常堆垛时无晶体缺陷形成722.堆垛层错与不全位错正常堆垛时无晶体缺陷形成7层错——由于晶体的堆垛次序变化破坏了周期性机构而形成的晶体缺陷。StackingFault(SF)层错矢量为a/3<111>73层错——由于晶体的堆垛次序变化破坏了周期性机构而形成的晶体缺层错能(StackingFaultEnergy.SFE) 指形成单位面积层错所增加的能量 在数值上等于相应密排面的表面张力层错能随材料种类而不同：通常体心立方的层错能较高，面心与密排结构的层错能较低（但Al，Ni特殊）金属AgAuCuAlNiCoγ(J/cm2)0.020.060.040.20.250.0274层错能(StackingFaultEnergy.SFE)堆垛层错的边界与位错紧密相连b=a/3<111>75堆垛层错的边界与位错紧密相连b=a/3<111>103.不全位错 柏氏矢量小于最短的点阵平移矢量的位错 可分为肖克莱（Shockley）不全位错与弗兰克（Frank）不全位错 以下讨论面心立方结构中的不全位错763.不全位错11沿密排面滑移形成的不全位错(ShockleyPartialDislocation)b=a/6<112>77沿密排面滑移形成的不全位错b=a/6<112>1278137914层错边缘为弗兰克不全位错插入或抽出半层密排面形成的不全位错（FrankPartialDislocation）b=a/3<111>80层错边缘为弗兰克不全位错插入或抽出半层密排面形成的不全位错b8116821783184.扩展位错 指一个位错分解成两个不全位错，其中间夹着一片层错的位错组态844.扩展位错198520扩展位错的宽度 即扩展位错中层错区的宽度 当不全位错的相互排斥作用与层错能γ引起的表面张力平衡时，扩展位错有一平衡宽度86扩展位错的宽度215.面角位错 是固定位错的一种，两个滑移面上的位错滑移相遇后发生位错反应，在滑移面相交处形成一处不能滑移的位错群的组态875.面角位错228823全位错分解领先位错反应形成面角位错——（Lomer-Cottrell）89全位错分解243.2FCC的位错反应与Thompson记号包括合并（Merging）与分解（Dissociation）位错反应需满足几何条件与能量条件几何条件能量条件903.2FCC的位错反应与Thompson记号包括合并（MThompson记号-91Thompson记号-26-92-27Thompson记号的含义四个面：{111}四面体的棱边：12个全位错的b=1/2<110>AB,CD,BD…各面顶点与中心连线：24个Shockley位错的b=1/6<112>.Aγ,Bδ,Dβ…四面体顶点与所对三角形中点连线：8个Frank位错的b=1/3<111>.Aα,Bβ,Cγ,Dδ.4个面中心相连：压杆位错1/6<110>.Αβ,αγ,αδ,βγβδ,γδ.93Thompson记号的含义四个面：{111}28Thompson记号的用途判断位错反应判断不同性质位错线的方位94Thompson记号的用途判断位错反应293.3位错的运动位错的运动实现晶体的塑性变形位错运动的难易决定晶体强度的高低位错的运动形式滑移攀移交滑移953.3位错的运动位错的运动实现晶体的塑性变形301.滑移（Slipping）保守运动位错在滑移面上滑动滑动所需应力较小961.滑移（Slipping）31刃型位错的滑移 b//τ⊥ξv//b//τ⊥ξ 滑移面： 唯一：晶体的滑移方向：

97刃型位错的滑移32螺型位错的滑移晶体的滑移方向：b//τ//ξ

v⊥(b,τ,ξ)滑移面： 多个；可以是包含位错线的任意滑移面98螺型位错的滑移33混合位错的滑移 位错线的滑移方向与位错线处处垂直晶体的滑移方向：99混合位错的滑移34100352.刃型位错的攀移(Climbing)位错在垂直于滑移面方向运动由原子或空位的扩散实现非保守运动（有体积变化）需要的能量大，高温易激活1012.刃型位错的攀移(Climbing)36攀移与温度的关系1）攀移阻力单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度）减轻b，引起的体积减少为：设一个空位的体积为b3，则该体积减少对应的空位数增加为：设单个空位的形成能为u1，则攀移需要的能量为：攀移的阻力为：102攀移与温度的关系单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度）减轻b，引起的体积减少为：设一个空位的体积为b3，则该体积减少对应的空位数增加为：设单个空位的形成能为u1，则攀移需要的能量为：攀移的阻力为：103单位长度位错线产生正攀移dl，在此高度上畸变（厚度）减轻b，2）攀移的驱动力之一：弹性攀移力（ClimbingForce）拉应力下，负攀移压应力下，正攀移1042）攀移的驱动力拉应力下，负攀移392）攀移的驱动力之二：渗透力（Penetrability）晶体中的过饱和空位或间隙原子渗透并聚集到位错线上产生刃位错的正攀移或负攀移，该力称为渗透力。渗透力与空位或间隙原子的过饱和度有关。1052）攀移的驱动力晶体中的过饱和空位或间隙原子渗透并聚集到位错设单个空位的形成能为u1，晶体中的空位数为n，原子数为N，则空位的平衡浓度C0为：空位浓度为C（C>C0）时，空位形成能u1’（u1’<u1）满足：两式取对数相减：106设单个空位的形成能为u1，晶体中的空位数为n，原子数为N，考虑攀移阻力有渗透力作用时，攀移阻力为：减小的攀移阻力即为渗透力Fs：温度越高，空位浓度越大，渗透力越大，刃位错容易攀移107考虑攀移阻力有渗透力作用时，攀移阻力为：减小的攀移阻力即为渗3.螺型位错的交滑移指螺型位错在一个滑移面上受阻时，可以选择相交的另一滑移面继续滑移的行为。双交滑移：交滑移后再次转回与原滑移面平行的滑移面上滑移波浪形滑移线1083.螺型位错的交滑移波浪形滑移线43FCC的双交滑移-109FCC的双交滑移-44BCC的交滑移——共同滑移方向<111>110BCC的交滑移——共同滑移方向<111>454.扩展位错的交滑移扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展1114.扩展位错的交滑移扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新-扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展112-扩展位错先行束集，以全位错形式交滑移到新的滑移面后再次扩展扩展位错的宽度影响其束集层错能低，宽度大，束集困难，交滑移困难113扩展位错的宽度影响其束集483.3位错其他形式作用包括：位错的增殖位错的交割带割阶位错的运动位错的平面塞积1143.3位错其他形式作用包括：491.位错增殖（Multiplication）Flank-Read机制螺位错双交滑移机制1151.位错增殖（Multiplication）50F-R源116F-R源5111752单边位错源118单边位错源53双交滑移机制螺位错双交滑移后AC，DB成为刃型的割阶，在C,D两点使位错线CD钉扎，形成了第二个（111）面上的F-R源并不断释放新的位错。119双交滑移机制螺位错双交滑移后AC，DB成为刃型的割阶，在C,F-R源+两个单边F-R源120F-R源+两个单边F-R源552.运动位错的交割（Jogging）晶体中众多处于不同滑移面的位错线在与其他位错相遇时会相互穿越形成附加的折线（台阶）台阶与原位错具有相同滑移面时，称为扭折（Kink）台阶与原位错滑移面不同时，称为割阶（Jog）1212.运动位错的交割（Jogging）561）两柏氏矢量垂直的刃型位错的交割折线PP’是一割阶：b=b2，PP’⊥b2，高度=b1，刃型，滑移面为台阶面此割阶可滑移，有阻碍作用1221）两柏氏矢量垂直的刃型位错的交割折线PP’是一割阶：572）两柏氏矢量平行的刃型位错的交割折线PP’，QQ’都是扭折：PP’：b=b2，PP’//b2，高度=b1，螺型，滑移面相同QQ’：b=b