材料科学基础课件：晶体缺陷-位错运动与应力场-.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,材料科学基础,Fundamentals of Materials Science,第,4,章 晶体缺陷,Chapter 4 Crystal Defect,4.1,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：4,X312,bcc,：,密排面为110 6个，,密排方向 2个,补充,7,3.,螺位错的交滑移,cross slip of screw dislocations,（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,11,Si,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 dislocations,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 Defect,4.1,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,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,E,0,）,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E,0,占,1,/10,1,/15,，,22,螺位错的应力场模型,位错的应力场模型,刃位错的应力场模型,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,25,26,一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,E,0,：,位错中心，畸变严重，,E,0,占,1,/10,1,/15,，,计算复杂，,可忽略Ee,：,位错应变能主要是,弹性应变能,E,e,E=E,0,+E,e,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，,r,0,是位错核心的半径。

则：,E,e,=Gb,2,G-,材料的剪切模量常数？,螺位错：取0.5；,刃位错：取,1.0,；,E,e,=Gb,2,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,：,E,e,=Gb,2,/(1-,),E,e,：,单位长度位错的弹性应变能，和,b,2,成正比b,最小的地方,/E,e,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=Gb,2,R,是位错线曲率半径，曲线的张力是,T,使位错弯曲的,：,(,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=Gb,2,R,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=bRd,T=bR,根据,T=E=Gb,2,(,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，,滑移可以从一个滑移面到另一个滑移面，,滑移面可以改变）应力场,刃位错周围的应力场既有切应力，又有正应力；,螺位错只有切应力而无正应力攀移,有（有多余半原子面）,无（无多余半原子面）,相同点,都是线缺陷位错的运动使扫过区间两边的原子层发生,b,的相对滑动，,晶体两部分的相对移动量只决定于,b,的大小和方向刃型位错与螺型位错有什么异同点,?,。