材料科学基础 线缺陷.ppt

1 位错逐排依次运动位错逐排依次运动————塑变塑变 原子面整体滑移原子面整体滑移————塑变塑变 理论强度远大于实测值理论强度远大于实测值 探求新理论探求新理论————位错理论位错理论 发现问题 促使 核心 计算强度值计算强度值   实测值实测值 结果 二、线缺陷二、线缺陷 2 1) 1) 刃位错刃位错 1. 1. 位错基本类型位错基本类型 形成 畸变区 多出（或少了）多出（或少了） 半排原子面半排原子面 用用┻┻（或（或 ┳┳）表示）表示 刃位错刃位错 正：上压下拉正：上压下拉 负：上拉下压负：上拉下压 称为 ┻ ┻ 3 原子面部分错动原子面部分错动 一个原子间距一个原子间距 螺位错螺位错 不吻合不吻合 过渡区过渡区 形成 畸变区 纯剪切纯剪切 应力区应力区 形成 称作 2) 2) 螺位错螺位错 4 3) 混合位错 刃型位错分量 ＋ 螺型位错分量 5 6 2. 2. 柏氏矢量柏氏矢量 ————反映位错区畸变的方向与程度反映位错区畸变的方向与程度 1) 1) 柏氏矢量的求法柏氏矢量的求法 （（1 1）） 包含位错线做一封闭回路包含位错线做一封闭回路 —— —— 柏氏回路柏氏回路 （（2 2）） 将同样的回路置于完整晶体中将同样的回路置于完整晶体中 —— —— 不能闭合不能闭合 （（3 3）） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合补一矢量（终点指向起点）使回路闭合—— —— 柏氏矢量柏氏矢量 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10101111 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10101111 7 （（1 1）） 包含位错线做一封闭回路包含位错线做一封闭回路————柏氏回路柏氏回路 （（2 2）） 将同样的回路置于完整晶体中将同样的回路置于完整晶体中————不能闭合不能闭合 （（3 3）） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合补一矢量（终点指向起点）使回路闭合————柏氏矢量柏氏矢量 1 1 2 2 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 1 1 8 （1） 满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关 —— 唯一性 （2） 用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位 错柏氏矢量的总和（矢量和） —— 可加性 （3） 同一位错，柏氏矢量处处相同 —— 同一性 2）柏氏矢量特性 9 3）柏氏矢量表示法 对于立方晶系 a = b = c 模： 例：例： 10 例：例： 例：例： 位错反应 11 4 4）三种位错柏氏矢量的特点）三种位错柏氏矢量的特点 刃位错刃位错 垂直垂直 主要是正应力主要是正应力 螺位错螺位错 平行平行 纯剪应力纯剪应力 混合位错混合位错 一定角度一定角度 复杂复杂 位错类型位错类型 柏氏矢量与位柏氏矢量与位 错线关系错线关系 畸变应力场畸变应力场 12 5 5）位错正、负（左、右）的确定）位错正、负（左、右）的确定 刃位错：刃位错： 有晶体图时用右手法则有晶体图时用右手法则 ————中指中指b b方向，食指位错线方向，拇指：上正下负方向，食指位错线方向，拇指：上正下负 无晶体图时用旋转法无晶体图时用旋转法 ——b——b顺时针方向转顺时针方向转9090 ，与位错线方向：顺正逆负，与位错线方向：顺正逆负 人为规定位错线方向人为规定位错线方向 LL 13 螺位错：螺位错： 有晶体图时与螺纹判断方法一致有晶体图时与螺纹判断方法一致 ————左手左螺，右手右螺左手左螺，右手右螺 无晶体图时用旋转法无晶体图时用旋转法 ——b——b与位错线方向：顺右逆左与位错线方向：顺右逆左 正负（左右）均为相对而言，位错线正负（左右）均为相对而言，位错线 方向改变，正负、左右随之改变。

方向改变，正负、左右随之改变 LL 14 3. 位错密度 单位体积晶体中所有位错线的总长度 穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错 线根数，将位错简化为直线） cm/cmcm/cm 3 3 1/cm1/cm 2 2 4. 位错的运动 滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面 (晶面)是该位错的滑移面 位错的滑移运动：位错在滑移面上的运动 4. 位错的运动 17 18 ┻ ┻ 位错线运动方向：在滑移面上，并且位错线运动方向 ν//τ ， ν ⊥位错线以滑移面为分界面，ｌx ν所指向 的那部分晶体必沿着 的方向运动 19 a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c）外力τ // b，位错线⊥τ ，位错线运动方向//τ d）τ一定时，正、负位错运动方向相反，但最终 滑移效果相同； e) 滑移面唯一 20 正刃 负刃 左螺 右螺 21 位错滑移特征比较位错滑移特征比较 一定角度一定角度 // // 一定角度一定角度混合位错混合位错 无限多个无限多个 // // // // // // 螺位错螺位错 唯一唯一   // //   刃位错刃位错 滑移面滑移面 个数个数 位错线运位错线运 动方向与动方向与 位错线位错线   与与 位错线位错线   与与 b b b b 与与 位错线位错线 类型类型       22 2 2）攀移）攀移 （（1 1）方式）方式 原子扩散离开（到）位错线原子扩散离开（到）位错线 半原子面缩短（伸长）半原子面缩短（伸长） 正（负）攀移正（负）攀移 空位扩散离开（到）位错线空位扩散离开（到）位错线 半原子面伸长（缩短）半原子面伸长（缩短） 负（正）攀移负（正）攀移 23 （2）特点 a） 刃位错垂直于滑移面运动——非守恒运动 b） 属扩散过程——需热激活——高温易出现 （3）作用 原滑移面上运动受阻—攀移—新滑移面—滑移继续 攀移只能是刃位错才能发生攀移只能是刃位错才能发生 说明：攀移不是塑性变形的主要机制—可避开障碍物—便于滑移 结论：攀移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力 24 3）交滑移 （1）方式 25 （2）特点 （3）作用 原滑移面上运动受阻—交滑移—新滑移面—滑移继续 交滑移只能是螺位错才能发生交滑移只能是螺位错才能发生 说明：交滑移不是塑变的主要机制—可避开障碍物—便于滑移 结论：交滑移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力 交滑移——仍在滑移面滑移——守恒运动 26 攀移与交滑移比较 攀移：只能刃位错 非守恒运动 避开障碍物的方式 交滑移：只能螺位错 守恒运动 27 5. 位错的力学性质 1）位错应力场与应变能 （1）应力分量与应变分量 完全弹性体，服从虎克定律 各向同性 连续介质，可以用连续函数表示 基本假设 （连续介质模型） 对位错线周围r0以内部分不适用 ——畸变严重，不符合上述基本假设 28 （a）单元体应力分量 正应力：σxx，σyy，σzz 切应力：σxy = σyx， σxz = σzx， σyz = σzy σxy——作用面垂直于x， 方向为y 29 （b）单元体应变分量 正应变：正应变：ε εxx xx， ，ε εyy yy， ，ε εzz zz 切应变：切应变：ε εxy xy = = ε εyx yx， ，ε εxz xz = = ε εzx zx 30 （c）柱坐标下分量 正应力：σzz，σrr，σθθ 切应力：σzθ=σθz，σzr=σrz，σrθ=σθr 与直角坐标的关系： 31 （2）位错应力场 （a）螺位错应力场 模型建立： 结果： 说明： 仅有z方向的切应力，无正应力。

切应力与θ无关，随r增大而减小 化为直角坐标时，仅存在与z有关的 切应力 厚壁圆桶——沿径向切开——沿z方向错动b —— 胶合 32 （b）刃位错应力场 模型建立： 结果：结果： 说明：说明： 既有正应力，也有切应力 与z轴有关的切应力均为零 厚壁圆桶——沿径向切开——沿x轴错动|b|——胶合 33 （3）位错应变能 单位长度螺位错应变能： 单位长度刃位错应变能： 单位长度混合位错应变能： 其中： 34 （a）比较 w w E E > > w w S S （b）一般公式 其中：α为几何因素系数，约0.5～1.0 35 （c）小结 位错——点阵畸变——应变能 b↓——w↓——位错能量↓——越稳定 其大小其大小 说明说明 36 （d）螺位错应变能公式的推导 柱坐标下单位体积应变能为： 对于螺位错仅有εθz不为零 故，对体积为V（长为L）的螺位错有 37 即： 积分 得： 38 2）作用在位错线上的力与位错线张力 （1）作用在位错线上的力 39 （a）公式推导 外力τ使长为l的位错移动了ds， τ作功dw1 假想有一力F作用于位错上，则F 作功dw2 有 单位长度位错线上的力： 40 （b）说明 Fd∝τ，Fd∝b Fd⊥位错线，指向未滑移区 Fd为假象力，其方向与τ不一定一致。

如螺位错Fd⊥τ） 41 （2）位错线张力 位错受力弯曲 伸长 线张力位错变直能量↓ 能量↑ （a）线张力的概念 （b）作用 使位错变直——降低位错能量 • 相当于物质弹性——称之为位错弹性性质 • 类似于液体的表面张力 42 （c）公式 C ——曲线形状因子 43 （d）实例—— 两端固定位错在τ下弯曲的问题 τ使位错弯曲，即r↓ T使位错变直，即r↑ 当二者平衡时 44 45 3）位错间的交互作用与位错塞积 （1）相互平行的位错之间的交互作用 > 位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力 当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲当外力作用在两。