材料物理学(2,3).ppt

第2章 位错基本知识,主要内容位错的应力场位错的应变能和线张力位错间的作用力位错的攀移割阶及其运动弯结及其运动,第一节 直线位错的应力场,直线位错的应力场⑴螺型位错柱面坐标表示：直角坐标表示：式中，G为切变模量，b为柏氏矢量，r为距位错中心的距离螺型位错应力场的特点： (1)只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺型位错不引起晶体的膨胀和收缩 (2)螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），且螺型位错的应力场是轴对称的，并随着与位错距离的增大，应力值减小 (3)这里当r→0时，τθz→∞，显然与实际情况不符，这说明上述结果不适用位错中心的严重畸变区(r =b)⑴刃型位错柱面坐标表示：直角坐标表示：式中，　　　　；G为切变模量；ν为泊松比；为b柏氏矢量刃型位错应力场的特点：　　(1)同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分量的大小与G和b成正比，与r成反比，即随着与位错距离的增大，应力的绝对值减小　　(2)各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关这表明在平行于位错的直线上，任一点的应力均相同　　(3)刃型位错的应力场对称于多余半原子面（y-z面），即对称于y轴。

　　(4) 在滑移面（y＝0）上，没有正应力，只有切应力，而且切应力τxy 达到极大值 　　(5)y>0时，σxx<0；而y<0时，σxx>0这说明正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉应力　　(6) x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两条对角线处，只有σxx，而且在每条对角线的两侧，τxy(τyx)及σyy的符号相反　　(7) 产生体积应变（体积膨胀率）θ在滑移面以上θ＜0，在滑移面以下θ＞0　　(8) 同螺型位错一样，上述公式不能用于刃型位错的中心区位错的应变能－位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量增加，这部分能量称为位错 的应变能 位错的能量可分为两部分：位错中心畸变能和位错应力场引起的弹性应变能①螺型位错的应变能（单位长度）：②刃型位错的应变能（单位长度）：③混合位错的应变能（单位长度）：④单位长度位错的总应变能可简化为：,第二节 位错的应变能与线张力,总结：　　①位错的能量包括两部分：位错中心畸变能和位错应力场引起的弹性应变能位错中心区的能量一般小于总能量1／10，可忽略。

　　②位错的应变能与b2成正比因此，从能量的观点来看，晶体中具有最小b的位错应该是最稳定的，而b大的位错有可能分解为b小的位错，以降低系统的能量由此也可理解为滑移方向总是沿着原子的密排方向的 ③螺位错的弹性应变能约为刃位错的2/3 ④位错的能量是以单位长度的能量来定义的，故位错的能量还与位错线的形状有关由于两点间以直线为最短，所以直线位错的应变能小于弯曲位错的，即更稳定，因此，位错线有尽量变直和缩短其长度的趋势　　⑤位错的存在均会使体系的内能升高，虽然位错的存在也会引起晶体中熵值的增加，但相对来说，熵值增加有限可以忽略不计因此，位错的存在使晶体处于高能的不稳定状态，可见位错是热力学上不稳定的晶体缺陷位错的线张力Ｔ—位错线每增加单位长度所增加的能量　　上式是假定刃型、螺型和混合位错的单位长度能量都相等得到的由于刃型位错的能量比螺型位错的大，所以线张力也大因此可知：　　①直的刃型位错弯曲后，增加了螺型位错分量，虽然位错线的长度增加了，但单位位错线的能量却减少　　②直的螺型位错弯曲后，增加了刃型位错分量，单位位错线的能量要增加，所以螺型位错比刃型位错难弯曲　上述结论对分析位错的绕过机制非常重要。

实际晶体中往往有许多位错同时存在任一位错在其相邻位错应力场作用下都会受到作用力，此交互作用力随位错类型、柏氏矢量大小、位错线相对位向的变化而变化Peach-Koehler公式　 在外应力作用下，单位长度位错线上所受的力（方向恒与位错线垂直）：平行螺位错间的作用力 因此，两平行螺型位错间的作用力，其大小与两位错强度的乘积成正比，而与两位错间距成反比，其方向则沿径向r垂直于所作用的位错线，当bl与b2同向时，Fr＞0，即两同号平行螺型位错相互排斥；而当bl与b2反向时，Fr＜0，即两异号平行螺型位错相互吸引第三节 位错间的作用力,平行刃位错间的作用力 平行刃位错间相互作用稳定位置,两个肖克莱 (Shockley)位错间的作用力⑴肖克莱 (Shockley)位错——柏氏矢量平行于滑移面的半位错，例如面心立方晶体中的柏　　　　　　　　　　　　　　氏矢量为　　　　　 的半位错．⑵两个肖克莱 (Shockley)位错间的作用力 两个肖克莱位错间的作用力为斥力，使两个肖克莱位错分开，分开的距离r与层错能（ＳＦＥ）的表面张力有关，达到平衡时：,第四节 位错的攀移,攀移—位错垂直于滑移面的运动。

①刃位错才能攀移；②攀移引起晶体的体积变化攀移力ＦＣ——单位长度位错攀移时所需要的力 产生攀移的力：①外加正应力； ②过饱和空位产生的力——渗透力(化学力)Ｆ0 渗透力Ｆ0——在位错应力场作用下，过饱和空位将凝聚在位错上，相当于有一种力促使位错向上攀移攀移在变形中的作用　　金属在高温下将发生蠕变，蠕变速率决定于位错攀移速率　　蠕变时攀移的主要作用是帮助位错克服滑移的障碍，即变形主要由位错滑移来完成，滑移量的大小由位错的攀移控制　　位错攀移促使滑移的机理：　　①当位错塞积在某种不动的障碍前面时，领先位错可通过攀移运动避开障碍，是后续位错可继续运动；　　②在平行滑移面上异号位错组成的位错多极子，可以通过攀移，使位错消毁，从而降低了位错的密度，减少了对位错源的反作用力使新的位错环又能产生　　③当位错遇到第二相，产生Orowan环绕过使，形成的位错环可在螺位错的交滑移和刃位错攀移的共同作用下，最后崩坍位错源又可放出新的位错，使变形继续下去第五节 割阶的生成及其运动,割阶—位错交截后，产生的不在滑移面上的一段折线，大小等于相交位错的柏氏矢量的模， 方向平行于相交位错的柏氏矢量。

弯折（弯结）—位错交截后，产生的在滑移面上的一段折线割阶的生成：①位错攀移；②位错交截位错交截生成的割阶⑴刃型位错与螺位错的交截 　 EF位错上的折线pp’—割阶　　割阶pp ′可随EF位错运动，割阶pp′运动的平面是图中阴影线画的平面，割阶pp ′对刃型位错的运动阻力小⑵螺位错与螺位错的交截IJ位错上的折线pp’—割阶割阶pp ′随IJ位错运动时，只能攀移，结果在割阶的后面留下一串空位或间隙原子前者称空位割阶，后者称间隙割阶割阶对螺位错运动的阻力大螺位错上的割阶⑴种类　按割阶高度分为三类　小型割阶——高度为几个原子面间距　中等割阶——高度为几个～几十个原子面间距　超割阶——高度为几十纳米⑵小割阶　随螺位错运动后留下一串空位或间隙原子　　螺位错上割阶的运动：　　　外力较小时，割阶对位错起钉扎作用，各段位错在自己的滑移面上滑移并弯曲成弧形　外力达到某一临界值时，位错才能带动割阶运动　临界应力τc:,⑶中等割阶 螺位错运动时会形成位错偶．　中等割阶形成位错偶的机制——螺位错双交滑移机制；　形成位错偶的作用力和中等割阶的极限高度：⑷超割阶　割阶对螺位错的运动已无阻力割阶两端的位错在两个平行的滑移面上独立运　　　　　动，形成单边位错源。

第六节 弯结的形成及其运动,弯结的形成⑴派-纳能垒WP-N 位错处在下图的三个位置上，它们由位错应力场引起的弹性应变能是相同的，但位错中心的畸变能不同可知，a和c位置是位错的稳定平衡位置，能量最低，而b位置显然是不稳定的、能量较高的位置因此，一个位错在滑移面上运动时必须越过一个能量最大位置（能垒）才能到达下一个低能的平衡位置这个能垒称为派-纳能垒⑵派-纳力（Ｐ－Ｎ）τP-N——位错越过派-纳能垒能垒需要克服的点阵阻力⑵派-纳力（Ｐ－Ｎ）τP-N——位错越过派-纳能垒能垒需要克服的点阵阻力由派-纳力公式可知: ①派-纳模型成功说明了切变强度比理论切变强度低.并正确预测了实际切变强度的数量级. ②柏氏矢量b值越小，滑移面面间距a越大，派-纳力（Ｐ－Ｎ）τP-N就越小．密排面是易滑面，其上的密排方向是易滑移方向．,⑶弯结的形成——可通过热激活和位错交截形成　　在０Ｋ时，位错线躺在派-纳能谷中（图中实线）温度升高，由于热激活的作用，部分位错段能越过势能峰（图中虚线）到达邻近的势能谷中在一根位错线上就形成了弯结　　图中，Ｂ—单弯结；Ｗ—弯结宽度；ＣＤ—双单弯结讨论：①滑移是通过弯阶的迁移实现的。

②弯结形成的外因：取决于温度和应力；内因：取决于位错的能量和线张力的平衡③fcc和hcp金属的派-纳能垒很低，易形成弯结，屈服强度对温度的敏感性不大；bcc金属的派-纳能垒较高，屈服强度对温度的敏感性大．弯结的运动——弯结侧向运动，位错垂直于自身方向运动，当弯结运动到位错线的一端，位错线就运动了一个晶面间距位错运动的速度等于弯结的数目、弯结运动的速度和派-纳能谷间距（约为b）的乘积第3章 实际晶体中的位错,主要内容面心立方金属中的位错肖克莱位错梯杆位错弗兰克位错密排六方金属中的位错体心立方金属中的位错,第一节 面心立方金属中的位错,面心立方金属中的层错 面心立方金属面的正常堆垛次序为：ABCABCABC… 层错产生的方式: ①某层B由正常位置滑移到下一层C的位置，随后各层随B层一起滑动同样的距离，即，B→C，C→A，A →B ABCAB ∣ CACA ∣ BCABC ②从正常堆垛的原子层中，抽出一层，如A、C两层中间抽去B层 ABCAB ∣ CA↑CA ∣ BCABC 上述两种情况都在正常排列次序中出现了CAC、ACA的排列方式，即出现了以C（或A）层为对称面的单原子层厚的孪晶结构CAC或ACA。

实际上出现了两个三层一组的密排六方结构薄层 ③从正常堆垛的原子层中，插入一层，如AB两层中间插入一层C↓ ABCAB∣CACBC∣ABCAB 在正常排列次序中出现了CAC、CBC的排列方式，即出现了以A（或B）层为对称面的两原子层厚的孪晶结构BCACB或ACBCA实际上出现了两个三层一组的密排六方结构薄层 * 实际晶体中层错产生的过程：①滑移；②饱和空位的崩坍形成空位环或间隙原子沉淀形成间隙环肖克莱位错 ⑴肖克莱位错的产生 {111}面上下两部分沿〈112〉方向滑动a／6 〈112〉,形成的已滑移区与未滑移区的交界处 ⑵肖克莱位错的特征 ①柏氏矢量： 不全位错 ②可以是刃型位错、螺型位错和混合位错；可以是曲线或直线 ③可以在{111}上滑移；它的螺型位错不能交滑移，刃型位错不能攀移 ⑶扩展位错 ——1个全位错分解为2个肖克莱位错并中间夹者1个层错带这一整体 ①扩展位错的形成 　　②宽度层错d 两个肖克莱位错间的斥力等于层错的表面张力（层错能）γ时，两个位错间的平衡距离就是宽度层错d．,。