材料科学基础付华课件 4-2-5.6.7节 晶体缺陷-位错作用增殖与实际位错

1*材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience石家庄铁道大学材料科学与工程学院材料科学系：付华联系电话Q:1115279899

0绪论第1章原子结构与结合键AtomicStructureandbindingbond第2章晶体学基础BasisofCrystallography第3章晶体结构CrystalStructure第4章晶体缺陷Crystaldefects第5章非晶体与准晶结构AmorphousandQuasicrystalStructure第6章相图PhaseDiagram第7章固体扩散SolidDiffusion第8章凝固与结晶SolidificationandCrystallization第9章烧结与聚合SinteringandPolymerization第10章

固态

相变SolidPhaseTransformation

材料科学与工艺

的基础理论第4章晶体缺陷Chapter4CrystalDefect4.1点缺陷（Pointdefect）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（Linedefects）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

(Surfacedefects)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相界位错移出晶体表面时在表面上产生b大小的台阶。

复习

5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：位错的应力场6一对平行刃位错和螺位错的应力场：无相同的应力分量

一、位错间的交互作用

2.一对平行螺位错的交互作用1.一对平行刃位错的交互作用二、位错与点缺陷的交互作用

3.一对平行刃位错和螺位错的交互作用4.混合位错间的交互作用5.非平行位错间的交互作用原则？第五节位错与晶体缺陷间的交互作用Interactionsbetweendislocationsandcrystaldefects

8一、位错间的交互作用Interactionsbetweendislocations

每条位错线周围存在应力场，对附近其它位错有复杂的作用和影响。（简单情况的讨论—平行位错）1.一对平行刃位错的交互作用位错墙

102.一对平行螺位错的交互作用左左左右F沿r方向。共有面可作为滑移面。同号螺位错，互相排斥；

异号螺位错，互相吸引/中和而消失。（降低位错能！）3.一对平行刃位错和螺位错的交互作用：无相同的应力分量，无相互作用。4.混合位错间的交互作用：5.非平行位错间的交互作用：短程交互作用（位错的交割，第六节）。分解为2个刃位错和2个螺位错间的相互作用，叠加。二、位错与点缺陷的交互作用点缺陷的应力场与位错应力场交互作用－－使点缺陷与位错特定分布，降低自由能。(一）√

Controll气团：刃位错（二）Snoeck气团：螺位错（三）铃木气团：层错附近溶质原子在刃位错附近聚集，形成原子集团。(一）Controll气团大/小置换原子？？间隙原子？？15点缺陷产生球形对称畸变的情况：溶质原子在刃位错附近聚集，形成小原子集团。(一）Controll气团假设晶体为弹性的连续介质，内有一刃位错b，挖掉一半径为R0的小洞（溶剂或间隙半径），填入一半径为R的溶质原子。此时引起径向位移，＝（R-R0)/R0。在产生径向位移过程中位错应力场做功。2.大置换原子：？？？？大溶质原子位于滑移面下方（正刃位错受拉部分）是稳定的状态。3.小置换原子：????小溶质原子位于滑移面上方（刃位错受压缩部分）比较稳定。4.间隙原子？？？？溶质原子云集在位错线附近,形成小原子集团，称为Cottrell气团。（柯氏气团）Cottrell气团的作用：对运动的位错起钉扎作用，→→→固溶强化。20钢中的C和N在位错周围形成Cottrell气团,影响钢的性能。

固溶强化。ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSCiArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf21钢中的C和N在位错周围形成Cottrell气团,影响钢的性能。位错中速运动时，强迫拖着气团一起运动，阻力最大。Cottrell气团的作用：对运动的位错起钉扎作用，→→→固溶强化。ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSCiArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf22位错切过粒子位错绕过粒子23第三章晶体结构缺陷第一节点缺陷

第二节位错的结构

第三节位错的运动

第四节位错的应力场

第五节位错与晶体缺陷间的交互作用

第六节位错的增殖、塞积与交割

第七节实际晶体中的位错

Interactionsbetweendislocationsandcrystaldefects

Proliferation,pile-upandintersectionofdislocationsDislocationsinactualcrystals一、位错的增殖Proliferation动画晶体每滑移一个b，就应该有一个位错消失，金属塑变后位错ρ应减小。而金属塑变后位错ρ增加了。第六节位错的增殖、塞积与交割

Proliferation,pile-upandintersectionofdislocations1)Frank-Read源增殖机制2)双交滑移增殖机制晶体塑性变形过程中位错发生了增殖。目前被普遍接受的位错增殖机制是Frank-Read提出的机制。3)空位聚集形成位错位错运动126（一）Frank-Read源增殖机制27（一）Frank-Read源增殖机制Frank-Read源动画（一）Frank-Read源增殖机制m、n处为异号位错相消，产生一位错环，内部DD′段还存在。动画Si单晶中的F-R源位错绕过动画动画-位错切过F-R源开动时，位错弯曲的最小曲率半径是l/2.位错张力：

=Gb/2R，R=l/2,最大分切应力：

=Gb/l。l»1μm，b»0.1nm，故

»10-4

G。接近晶体的屈服应力。（二）双交滑移增殖机制（动画）交滑移：螺位错在某一滑移面的滑移受阻时，位错离开原滑移面到与其相交的其他滑移面继续滑移。双交滑移：已交滑移的螺位错再一次交滑移到与原滑移面平行的滑移面继续滑移。33SiC中的螺位错生长：螺旋长大台阶，提供原子附着的有利位置。34(三）空位聚集形成位错

位错滑移时，在滑移面上遇到障碍物(如晶界、硬质点……)，将塞积在障碍物的前面。

若同一位错源不断产生一系列位错，产生塞积群。二、位错的塞积

Pile-up，blocking

位错塞积的后果位错塞积→应力集中→形成裂纹(断裂力学中裂纹的萌生机理之一）

？？减轻位错塞积的后果—减小应力集中：螺位错可改变滑移面而发生交滑移；位错塞积在晶界处的应力集中可开动相邻晶粒的位错滑移来松弛应力集中。三、位错的交割

intersectionofdislocations两刃位错交割1.2个垂直刃位错交割CD上产生pp’割阶，长度b1，

柏氏矢量仍是b2。短程交互作用pp’的滑移面是Ⅰ，不是原滑移面Ⅱ。不位于原滑移面上的位错台阶－－割阶。割阶成为位错运动的阻碍。b2∥AB，位错CD的滑移不在AB产生割阶。两个位错交割后，会产生位错台阶，自身柏氏矢量不变，台阶大小取决于另一位错的b值。

仍在原滑移面上的位错台阶为扭折。(PP’和QQ’)在线张力作用下，扭折会自动消失，CD,AB恢复直线,或以相同滑移方向一起滑移。2.2个b平行刃位错交割PP’/QQ’螺位错（二）刃位错与螺位错的交割PP’为刃位错，割阶。QQ’为刃位错，扭折。小结：2.不位于原滑移面上的位错台阶-----割阶。仍在原滑移面上的位错台阶----扭折。两位错交割，会产生台阶，自身柏氏矢量b不变，台阶大小取决于另一位错的b值。3.

割阶和扭折使位错线长度增加，能量增加。交割Intersection过程成为位错运动的阻碍。43离散位错动力学模拟，位错的产生，湮灭，交互作用。实际晶体（fcc，bcc，hcp）中的位错更复杂。位错的柏氏矢量b要满足：（1）晶体结构条件：连接原子的平衡位置。（2）能量条件：Eb2，b要小。第七节实际晶体中的位错一、全位错与不全位错全位错----柏氏矢量等于点阵矢量的位错。部分位错－－柏氏矢量小于点阵矢量的。不全位错----柏氏矢量不等于点阵矢量的位错。单位位错----b为最短点阵矢量的位错。单位位错能量最低，最稳定。？48

fcc和hcp密排面的堆垛方式

hcp:ABABAB…fcc:ABCABC…b=<110>a/2b=<112>a/6BCAb=<110>a/2BCA全位错滑移时，不破坏上下原子排列的完整性，滑移区与未滑移区有相同的晶体结构。（完整位错）1、全位错BBb=<112>a/6BCA2、不全位错不全位错滑移，破坏上下原子排列的完整性，滑移区原子错排。BCC堆垛层错：正常堆垛顺序被破坏。54堆垛层错堆垛层错的形成有2种方法。一种方法：滑移层错通过在一层(111)上下两层面分别滑动a/6<112>形成。Shockley不全位错b=a/6.<112>BCBBCAShockley不全位错b=a/6.<112>堆垛层错不全位错不全位错57扩展位错:fcc中全位错分解为2个shockley不全位错,这2个不全位错间夹着一片层错－－－扩展位错。扩展位错→→不全位错+堆垛层错+不全位错58不锈钢中的扩展位错变形Cu-Al合金F：堆垛层错59层错能-----产生单位面积的层错所需能量.层错是一种晶体缺陷，破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。层错能（高/低）-----（难/易）产生层错？表某些金属和合金的层错能金属NiAlCuAuAg黄铜不锈钢层错能/J·cm-2

40×10-6

20×10-6

7×10-6

6.6×10-6

2×10-6

3.5×10-6

1.3×10-6

60不锈钢中的扩展位错变形Cu-Al合金F：堆垛层错61扩展位错的平衡宽度：d=Gb1b2/2扩展位错的平衡宽度与层错能成反比：层错能低（不锈钢，－黄铜）：宽的扩展位错层错能高（铝）：窄的扩展位错扩展位错整体滑移引起的变形和一个全位错滑移的效果相同。第二种堆垛层错形成方法：抽去(插入)一层密排面。抽去一层（A层），…ABC┇BCABC…在C┇B处发生层错,在层错处出现了hcp排列（即ABAB排列）插入一层面(111)，…ABC┇B┇ABC…在C┇B┇A处发生层错.

Franker不全位错：层错矢量是?层错矢量是：b=a/3<111>;纯刃位错特点：b=a/3<111>和｛111｝面垂直。纯刃位错。b垂直于滑移面，不是fcc晶体的滑移方向，不能滑移，只可攀移。

Shockley不全位错：不均匀滑移a/6<112>造成的不全位错。可以是刃位错、螺位错或混和位错。b在滑移面上，可以滑移。Franker不全位错：二、位错反应位错之间相互转化（分解，合并，重组）：(1)几何条件：柏氏矢量守恒。b前＝b后。(2)能量条件：反应后位错的总能量降低。b2前>b2后。(1)位错分解：fcc中：全位错分解为2个shockley不全位错。(2)位错合并：fcc中：1个shockley和1个Franker