《材料的结构》课件.ppt

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1、1,第三章 晶体结构缺陷,引言：在介绍晶体结构时，为了说明晶体的周期性和方向性，把晶体处理为完全理想状态，实际上晶体中存在着偏离理想的结构，晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。这些区域的存在，并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变。缺陷分类（1）点缺陷（零维缺陷）：空位、间隙原子、杂质等（2）线缺陷（一维缺陷）：位错等（3）面缺陷（二维缺陷）：晶界、表面、相界、层错（4）体缺陷（三维缺陷）：沉淀相、孔洞、亚结构等,第三章 晶体结构缺陷,引言3.1 点缺陷3.2 位错的结构3.3 位错的运动3.4 位错的应力场3.5 位错与晶体缺陷间的交互作用3.

2、6 位错的增殖、塞积与交割3.7 实际晶体中的位错,31 点缺陷 晶体中的点缺陷除了包括空位、间隙原子、置换原子外，还包括由这些基本缺陷组成的三维方向上尺寸都很小的复杂缺陷。,4,311 点缺陷的类型,图3.1 晶体中的各种点缺陷1-大的置换原子；2-肖脱基空位；3-异类间隙原子；4-复合空位；5弗兰克尔空位；6-小的置换原子,5,本节讨论的主要是空位和间隙原子。,图3.2 晶体中简单点缺陷（示意图）,6,空位的类型,（a）肖脱基空位（b）弗兰克尔空位图3.3 晶体中的空位,7,原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形

3、成空位。空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量。,图3.4 空位的移动,312 点缺陷的平衡浓度,热力学分析表明：在高于0K的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。在某一温度下，晶体自由焓最低时随对应的点缺陷浓度为点缺陷的平衡浓度，用CV表示。在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。设自由能F=UTS U为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC）空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分：空位改变它周围原子的振动引起振动熵

4、Sf；空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。,设在温度T时，含有N个结点的晶体中形成n个空位，与无空位晶体相比F=nEV-TSS=SC+nSfn个空位引入，可能的原子排列方式利用玻尔兹曼关系，化简可得：当N和n很大时，可用斯特令近似公式将上式改写为,令：式中A=exp(Sf/k)，由振动熵决定，约为110。上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关系，由于间隙原子的形成能较大，在相同温度下，间隙原子浓度比空位浓度小的多，通常可以忽略不计，所以一般情况下，金属晶体的点缺陷主要是指空位。,若已知EV和Sf，则可由上式计算出任一温度T下的浓度C.由上式可得：1）晶

5、体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能EV大，空位浓度小例如：已知铜中EV=1.710-19J，A取为1，则,例题 Cu晶体的空位形成能Ev为0.9ev/atom，或1.441019 J/atom，材料常数A取作1，玻尔兹曼常数k1.3810 23J/K，计算：1）在500下，每立方米Cu中的空位数目。2）500下的平衡空位浓度。解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已知Cu的摩尔质量为MCu63.54g/mol，500下Cu的密度Cu8.96 106 g/m3,1）将N代入空位平衡浓度公式，计算空位数目nv 2）

6、计算空位浓度 即在500时，每106个原子中才有1.4个空位。,14,空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。图3-5所示为空位移动。,图3.5 空位的移动,313 点缺陷的运动和作用,在点缺陷运动中，当间隙原子与一个空位相遇时，将落入该空位，使两者都消失，称为复合。,点缺陷运动的作用在于：由于空位和间隙原子不断的产生与复合，使得晶体中的原子不停地向别处作不规则地布朗运动，这就是晶体地自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等过程地基础。,314 过饱和点缺陷,给定温度下，晶体中存在一平衡的点缺陷浓度，通过一些方法，晶体中的

7、点缺陷浓度超过平衡浓度。1）高温淬火把 空位保留到室温：加热后，使缺陷浓度较高，然后快速冷却，使点缺陷来不及复合过程。2）辐照：高能粒子辐照晶体，形成数量相等的空位和间隙原子（原子不断离位而产生）。3）塑性变形：位错滑移并交割后留下大量的点缺陷。另外，点缺陷还会聚集成空位片，过多的空位片造成材料区域崩塌而破坏，形成孔洞。,315 点缺陷对晶体性质的影响,1对电阻的影响空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻2对力学性能的影响3对高温蠕变的影响,18,316 点缺陷小结,1、点缺陷是热力学稳定的缺陷。2、不同金属点缺陷形成能不同。3、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关4、点缺陷对金

8、属的物理及力学性能有明显影响5、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结有重要影响,32 位错的基本类型及特征,位错理论及其发展 刃型位错:螺型位错:混合位错,20,321 刃型位错-刃位错结构示意图,位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界 正、负刃位错 弹性畸变位错宽度，25个原子间距 位错是一管道 额外（多余）半原子面 滑移矢量 滑移面 刃位错不一定是直线，可为纯刃型位错环,基本点如下：,刃型位错特征：1）刃型位错有一额外半原子面 2）位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。3）位错周围的点阵发生弹性畸变，既

9、有正应变，又有切应变 位错是一管道,322 螺型位错,图为螺型位错形成模型,24,螺型位错-特征：,1）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称 2）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线 3）包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限 4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）5）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直,323 混合位错位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意角度，图为混合位错的产生,33 柏氏矢量,柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物

10、理量，1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”，用b 表示1柏氏矢量的确定（方法与步骤）1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致 3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。,如右图为刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量,28,图为螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量,2柏氏矢量b的物理意义1）表征位错线的性质据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，如图6-162）b表征

11、了总畸变的积累围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。3）b表征了位错强度同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。,3柏氏矢量特征 1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关 2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零,31,32,3.3 位错的运动,3.31 位错滑移时的晶格阻力 位错的易动性，如图可见，

12、处于1或2处的位错，其两侧原子处于对称状态，作用在位错上的原子互相抵消，位错处于低能量状态,34,位错由12经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。位错移动受到一阻力点阵阻力，又叫派纳力（Peirls-Nabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。,派纳力（p）实质上是周期点阵中移动单个位错所需的临界切应力，近似计算得：式中b为柏氏矢量的模，G：切变模量，v：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-v，a为面间距,由此可得：1）通过位错滑动而使晶体滑移，p 较小一般ab，v约为0.3，则p为（10-310-4）G，仅为理想晶体的1/1001/1000。2）p随a值的增大和b值的减小而下降，在晶

13、体中，原子最密排面其面间距a为最大，原子最密排方向其b值为最小，可解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行 3）p随位错宽度减小而增大 可见总体上强化金属途径：一是建立无位错状态，二是引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。,3.32 刃型位错的运动-两种方式：滑移、攀移,1滑移 位错线在滑移面上的运动，如右图，位错线移动到晶体表面时，位错即消失，形成柏氏矢量值大小的滑移台阶。,38,The motion of an edge dislocation and the production of a unit step of slip at the surface of

14、 the crystal under the action of a shearing force.,39,2攀移-刃型位错垂直于滑移面方向的运动,正攀移：额外半原子面下端原子扩散出去，或与空位交换位置，位错线向上运动性质：空位和原子的扩散，引起晶体体积变化，叫非守恒（非保守）运动 影响攀移因素：温度。温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行 正应力。垂直于额外关原子面的压应力，促进正攀移，拉应力，促进负攀移,3.33 螺型位错的运动,螺位错无多余半原子面，只能作滑移。图为螺型位错滑移时周围原子的移动情况,42,3.34 混合位错的运动,混合位错的滑移过程,43,位错环的运动,位错的存在，在其

15、周围的点阵发生不同程度的畸变。中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分超出了弹性应变范围，不讨论。仅讨论中心区以外的弹性畸变区，借助弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质。,35 位错的应力场（位错的弹性行为）,341 螺型位错应力场,如图，在圆柱体内引入相当于螺型位错周围的应力场，此时沿z轴的切应变为 z。从这个圆柱体中取一个半径为r的薄壁圆筒展开，便能看出z。G为切变模量 由于圆柱体只在z方向产生位移，在x、y方向没有位移，所以其余的应力分量均为0，即,46,切应力 亦可用直角坐标表示：特征：1）只有切应力，无正应力 2）的大小与r呈反比，与G、b呈正比 3）与无关，所以切应力是轴对称的

16、,3.42 刃型位错应力场,设立刃型位错模型，由弹性理论求得：；G为切变模量，v为泊松比,49,采用圆柱坐标表示，则为：分析以上两式，可了解刃位错周围应力场的特点。并可得出坐标系各区中应力分布,51,刃型位错周围的应力场,52,刃位错周围应力场的特点：1）应力的大小与r呈反比，与G、b呈正比 2）有正、切应力，同一地点|xx|yy|，yy较复杂，不作重点考虑 3）y0,xx0，为拉应力 y=0,xx=yy=0，只有切应力 y=x，只有xx、zz,34.3 位错的应变能,位错的存在在其点阵周围产生弹性应变与应力，储存的能量包括：,55,341.1 螺型位错的应变能,制造一个单位长度的螺位错，作功

17、WS=1/2zbdr（虎克定律）。它应等于这个位错应变能ES，即WS=ES。式中bdr为应变量，对上式从r0到R进行积分,则 则,57,3.4.3.2 刃型位错应变能类似可求得单位长度刃型位错应变能,3.44 混合位错的应变能,任何一个混合位错都可分解为一刃型位错和一个螺型位错，设其柏氏矢量b与位错线交角为，则:,59,混合位错的应变能,Em,刃位错=90螺位错=0实际晶体中，r0约为埃的量级（约为10-8cm）；R约为亚晶尺寸，约为10-310-4cm，v取1/3可得单位长度位错应变能E=KGb2,从以上讨论可得：1）E与b2呈正比，b小则应变能低，位错愈稳定 2）E随R增大而增加，说明位错

18、长程应力场的能量占主导作用，中心区能量小，可忽略 3）从（1）、（2）、（3）式，若取R=2000|b|，r0=|b|,ES=0.6Gb2,Em=0.60.9Gb2，Ee=1.5ES，EeEmES，可见在晶体中最易于形成螺型位错。4）两点间以直线最短，所以直线位错比曲线位错能量小，位错总有伸直趋势 位错存在导致内能升高，同时位错的引入又使晶体熵值增加。由F=E内-TS，通过估算得出，因应变能而引起系统自由能的增加，远大于熵增加而引起系统自由能的减小。故位错与空位不同，它在热力学上是不稳定的。,3.4.5 位错的受力,3.4.4.1 位错的线张力为了降低能量，位错有由曲变直，由长变短的倾向。线张

19、力T表示增加单位长度位错线所需能量，在数值上等于位错应变能。,62,故单位长度位错线弯曲所需外力为,位错在受力弯曲时，如图有,很小,3.4.4.2 外力场中位错所受的力,与柏氏矢量平行的切应力可使刃位错沿自身法线方向移动，应用虚功原理，求法向“滑移力”。如图6-36，设外加应力使一位错线段dl在滑移面上没移dl距离，此线段的运动促使dA面上边的晶块相对下面的晶块错开了一柏氏矢量b。作功 法向力F作为 故作用于单位长度位错线上力为：Fx=b（2）,此力永远与位错线垂直，刃型位错Fx与同向，螺型位错，Fx与垂直，比较（1）、（2）式 可见平衡条件下，曲率半径R越小，即位错越弯曲，所需与之平衡的切应

20、力越大。,3.5 位错与晶体缺陷的相互作用,3.5.1 两平行螺型位错间的交互作用右图中坐标原点（0，0）处一螺型位错 b，r(x,y)处一螺位错 b 则 可见：1）=00或900时，；=450，Fr最大，2）b，b同号，Fr为正值，两位错相互排斥 3）b，b异号，Fr为负值，两位错相互吸引,3.5.2 两个平衡刃型位错之间的相互作用,设有沿oz轴的刃位错I和另一处于（x,y）并与之平行的同号位错II，柏氏矢量分别为 1、2，其距离为r，可见I会产生一切应力分量yx使II受到一滑移力Fx，还会产生一正应力分量xx作用于II多余半原子面，使II受到一攀移力Fy。滑移力 攀移力 根据以上两式可推断

21、出II在不同位置所受到的攀移力和滑移力。,b,b,67,图综合地表示出当x0时，两平行刃位错间的力Fx与距离x之间的关系（y代表两平行位错的垂直距离；x是两位错的水平距离，以y的倍数表示）。,Fy与y向，Fy为正，即指向上，为负即指向下。故可推知，两位错沿y轴方向是互相排斥的。滑移力Fx变化规律为：x2y2,Fx指向外，即排斥 x2y2,Fx指向内，吸引 x=0,Fx=0，II处于稳定的平衡位置 x=y,Fx=0，II处于介稳平衡位置据此可了解金属退火后亚晶界的形成。如稳定同号位错沿垂直于滑移面方向排列。小角度晶界、亚晶界即是这样排列的结果。,。,以上讨论的几点可在图6-42中可见,3.5.3

22、 位错的交截,在滑移面上运动的某一位错，必与穿过此滑移面上的其它位错（称为“位错林”）相交截，该过程即为“位错交截”。位错相互切割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折线有两种：割阶：垂直滑移面的折线扭折：在滑移面上的折线,71,位错的交截-（1）两根互相垂直刃型位错的交截 a.柏氏矢量互相平行，产生扭折，可消失,AB，xy两根相互垂直的刃型位错线b 1/b 2，交截后各自产生一小段PP和QQ的折线，它们均位于原来两个滑移面上，同属螺型性质，为“扭折”。在运动过程中，这种折线在线张力的作用下可能被拉长而 消失。如图,73,位错的交截-（1）两根互相垂直刃型位错的交截 b.柏氏矢量互相垂直,

23、b 1 b 2，当xy位错线与不动的AB位错交截后，AB产生一个长度与b 1相等的刃型割阶PP，PP折线位于Pxy滑移面上，是可动的，即随AB沿着b 2所指方向移动，因 b 2与xy平行，故xy不产生折线,（2）刃型位错与螺型位错交截,如图，交截之后，AB被分割成为位于相邻两平行平面内的两段位错。中间由刃型割阶PP相连，其长度与b2相等，但本身柏氏矢量仍为b 1，PP可随AB滑移，但有阻碍。，为扭折，在线张力下可被拉直。,（3）两根螺型位错的交截,值得注意的一种，如图所示,l1与l2交截后，两根螺位错各自产生一小段的刃型割阶。l1上割阶PP，长度为b2，此割阶只能在PP与b 1组成的平面内沿

24、b 1所指方向滑移，与l1滑移方向不一致，不能与l1一道运动，只能通过攀移。但攀移在室温下是困难的，故它是l1运动的障碍、阻力。此即金属加工硬化中割阶强化,77,位错交截小结,位错交截后产生“扭折”或“割阶”。“扭折”可以是刃型、亦可是“螺型”，可随位错线一道运动，几乎不产生阻力，且它可因位错线张力而消失。“割阶”都是刃型位错，有滑移割阶和攀移割阶，割阶不会因位错线张力而消失。,3.5.4 位错与点缺陷之间的交互作用,1位错与溶质原子的交互作用点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，所产生的应力场可与位错产生弹性的、化学的、电学的、几何的四种交互作用，其中以弹性作用为最重要，下面主要讨论位错与点缺陷弹性

25、交互作用。固溶体型合金晶体中，既有位错又有溶质原子，两应力场发生交互作用，系统应变能变化的W=W3-（W1+W2）其中W1、W2为位错和溶质原子单独存在时各自应变能，W3为交互作用后应变能，可得出 为错配度,为使溶质原子与位错位置相对稳定，使总应变能降低，必有W0，表示溶入的溶质原子引起晶体体积膨胀（溶质原子较溶剂原子半径大），为使W0，溶质原子位于刃位错上方的受压缩部分。通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团”（Cottrell Atmosphere），这种气团阻碍位错运动，产生强化。用柯氏气团可解释合金中出现的应变时效和屈服点现象。课外了解“斯诺克气团”（Snoek Atm

26、osphere）,2位错与空位的交互作用,空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上，使位错线产生割阶，如右图，空位与位错在一定条件下可互相转化。,81,（1）空位盘转化成位错环,过饱和空位可以聚集成空位盘，继而可崩塌成刃型位错环，成为“棱柱位错”。,2位错与空位的交互作用-位错在运动过程中产生空位 异号刃型位错互毁后产生一串空位,2位错与空位的交互作用-位错在运动过程中产生空位 异号刃型位错互毁后产生一串空位两相互垂直的螺型位错经交截后产生刃型割阶，它只能通过攀移跟主位错线一起移动，在割阶后留下一串空位（图6-52），割阶间的位错线是异号刃型位错，吸引互毁后形成位错偶（图6-53

27、）。,3.6 位错的塞积和增殖,位错运动过程中除遇到其它位错而发生交截外，还可能遇到晶界，孪晶界，相界等障碍物而产生“塞积”现象。,下面就位错塞积现象加以讨论。,1）刃位错间相互斥力 2）位错塞积群对位错源的反作用力此力与塞积群中的位错数目成正比。塞积位错达到n后，外加力与塞积群反作用力相平衡，外力不足以开动位错源，这时近似：,式中0为外加分切应力；l为位错源距障碍物的距离；k=（1-v）（注：上式推导见参考书金属学，上海交大出版社出版）可见，l一定时，n与0成正比。经计算，塞积群中任一位错i距障碍物的距离xi（n很大时）为：xi表示第i个位错距障碍物的距离，若以 为xi的单位，可见在塞积群中

28、每个位错距障碍物不是等距离排列，而是成指数关系。,87,（1）位错塞积,3）障碍物对塞积群的反作用力该力超过一定值时，就会把障碍物“冲垮”，这意味着晶体开始发生变形。按虚功原理计算该反作用力,按虚功原理，若塞积群中n个位错在外应力0作用下局部前移了dx，外应力作功为n0bdx，障碍物对领先位错反作用力b所作功为bdx。平衡时，n0bdx=bdx=n0 可见障碍物与领先位错间的作用力是外加分切应力的n倍，所以在障碍物处产生很大的应力集中，这样可能出现三种情况。a.使相邻晶粒屈服（即促使相邻晶粒的位错源开动）b.在障碍物前端萌生微裂纹c.障碍物不坚硬时，位错切过,（2）位错的萌生与增值,晶体中位错

29、的萌生1液体金属凝固时形成位错枝晶生长过程中受温度梯度、浓度梯度、机械振动和杂质影响而产生内应力，使枝晶发生偏转或弯曲，点阵错排。2过饱和空位转化成位错3局部应力集中形成位错晶体内部的某些界面和微裂纹附近，由于应力作用使局部区域发生滑移，产生位错。,晶体中位错的增值,退火状态金属的位错密度为106108/cm2。冷加工状态金属的位错密度为10101012/cm2，说明位错增殖。引用最多的位错增殖机制，为F-R源机制（弗兰克-瑞德源），如图,AB位错线段两端固定，在外加切应力作用下变弯并向外扩张，当两端弯出来的线段相互靠近时，由于两者分属左、右螺型，抵消并形成一闭合位错环和环内一小段弯曲位错线，

30、然后继续。已知使位错线弯曲至曲率半径为R时所需切应力为：,开始R，故使位错弯曲的外加应力很小。当变为半园形时，R=1/2L最小，最大继续外弯时，R增大，减小。只有max，位错才能不断向外扩张，源源不断产生位错环，起到增殖作用。还有一些机制，如双交滑移增殖机制等。,3.7 实际晶体中的位错组态,3.7.1 实际晶体中位错的柏氏矢量在简单立方结构中的位错，其 b 总是等于点阵矢量。实际晶体中根据柏氏矢量的不同，可把位错分为以下几种形式；（1）b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。（2）b等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错”（3）b 不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位错”或称“部分位错”,

31、94,FCC全位错原子排列示意图，图面为（111）面,柏氏矢量可用数字及符号表示对fcc晶体，110是原子最密排的晶向，此晶向相邻两原子在三坐标轴上的投影为a/2、a/2、0，故单位位错柏氏矢量:bcc hcp 柏氏矢量可以相加，设=1+2，其中 1=100，则 本节只讨论面心立方金属中的位错,3.72 层错,前面已讨论fcc结构晶体，密排面堆垛顺序为ABCABC以“”表示AB、BC、CA次序，用“”表示相反次序，即BA、CB、AC，则fcc的正常堆垛顺序为，hcp为若在fcc中抽走一层C，则 A B C A B A B C A B C 插入一层A，则 A B C A B AC A B C 即

32、在“”处堆垛顺序发生局部错乱，出现堆垛层错，前者为抽出型层错，后者为插入型层错，可见fcc晶体中的层错可看成是嵌入了薄层密排六方结构。,97,HCP 堆垛,FCC 堆垛,层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为“层错能”。但层错的影响仅表现在次近邻关系，仅引起很少的点阵畸变，故层错能相对晶界能（510-4J/cm2）很小（如表6-3），层错能愈小，出现层错的几率愈大。层错的边界即为不全位错。表6-3 某些金属和合金的层错能,3.73 不全位错,层错区与完整晶体的交界处，为“不全位错”1肖克莱（Shockley）不全位错如图，为fcc晶体的（）面，

33、使A层以上原子相对于C层作滑移，使ABCAB，此时滑移是不均匀的，即滑移中止在晶体内部，这样就在局部地区形成层错。其与完整晶体的交界区域即为Shockley不全位错。,100,特征：（1）（2），且垂直于位错线，为纯刃型，也可为纯螺型或混合型（3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛层错的111面上滑移，引起层错面的扩散或收缩，但不能离开层错面。,2弗兰克（Frank）不全位错 在fcc晶体中插入或抽走一层（111）面，就会形成堆垛层错。若插入或抽走的只是一部分，层错与完整晶体边界即所谓“Frank位错”。如图6-60，为插入型弗兰克不全位错（叫正弗兰克不全位错），抽出型如图6-61（叫负弗兰克不

34、全位错）。,正弗兰克位错可由填隙原子聚集成园盘而形成负弗兰克位错可由空位盘崩塌而形成。特征：1），b与层错面和位错线垂直，故是纯刃型 2）只能攀移，而攀移必须借助原子的扩散，故运动困难，称为固定位错。不全位错的柏氏矢量亦可通过柏氏回路的方法确定，但回路的起点应选择在层错面上。,3.74 位错反应与扩展位错,1位错反应位错除相互作用外，还可能发生分解或合成，即位错反应。位错反应有两个条件。1）几何条件：反应前各位错柏氏矢量之和应等于反应后各 之和即 前=后 2）能量条件：能量降低的过程 Eb2 b2前b2后1953年汤普森（N.Thompson）引入参考四面体和一套标记来描述fcc金属中位错反应

35、，如图6-62。将四面体以ABC为底展开，各个线段的点阵矢量，即为汤普森记号，它把fcc金属中重要滑移面、滑移方向、柏氏矢量简单而清晰地表示出来。,汤普森（N.Thompson）四面体,图中四面体的六个棱AB、DC为全位错的柏氏矢量 a、b为弗兰克不全位错 A、D为肖克莱不全位错（a）=（）（b）=（）（c）=（）（d）=（111）为fcc中四个可能滑移面。如：DADr+rA即 几何条件：右边两个不全位错的 b 在x,y,z轴上分量代数和等于左边全位错 b。能量条件：故反应能进行,2扩展位错,一个全位错分解为两个肖克莱不全位错，中间夹着一片层错，它们组合在一起，叫“扩展位错”。b 1=b 2+

36、b 3+层错。,108,109,如图，设想fcc晶体中的位错线在切应力作用下，沿着（111）1，0，-1 滑移系在B层与C层之间滑移，原子由C移至C有两种途径。一是由C直接移至C（即全位错的移动），需提供较高能量。另是先从C经一低低谷至A，再滑至C位置（相当于肖克莱不全位错的滑动），后者平坦，易进行，但两者效果相同，这个过程可表示为：,b 1=b 2+b 3+层错 b 2和 b 3是两个同符号的位错分量，它们之间互相排斥，存在一个斥力F，但层错区具有表面能。增加单位面积的层错所增加的表面能，可看作表面张力。它使层错区变窄，平衡时两者相等。平衡时：（r为层错能）,112,b 2与b 3必定成60

37、，设全位错与其b 夹角为，则两个不全位错夹角分别为-/6及+/6，是任意的。二不全位错有刃型和螺型部分，分解后刃错与刃错作用，螺错与螺错作用，则作用力（螺错部分）（刃错部分）这样可近似可得,3位错的束集,肖克莱不全位错只能滑移，不能脱离层错面攀移，故扩展位错亦如此。的螺位错能交滑移，但当其分解为肖克莱不全位错时，都不是纯螺型，不能交滑移，要交滑移，必先收缩成螺型全位错，此即束集（Constriction）。束集必对抗两个不全位错间斥力作功，故层错区愈宽，愈不易束集，愈难于交滑移。如Al中易于看到交滑移,115,扩展位错的束集,4铃木气团,溶质原子与扩展位错之间会发生化学交互作用，产生铃木气团。

38、铃木秀次指出，由于扩展位错的层错区具有与周围基体不同的晶体结构（如fcc中层错区属hcp），为保持热力学平衡，溶质原子在层错区浓度与在基体中浓度不同，有的原子偏聚于层错区，减小表面能，使层错区宽度d增大，不易于束集，难于交滑移，从而提高合金强度，这种由化学交互作用而产生溶质原子在层错区偏聚，构成了“铃木气团”。与科垂耳气团比较:1）铃木气团与温度无关 2）铃木气团与位错类型无关,5Lomer-Cottrell位错,这是fcc晶体中一种很重要的位错反应Lomer首先讨论fcc晶体中位错反应过程，在汤普森四面体中，如图6-68，C1、C2分别代表处于111面平行于BC的位错线，,两位错滑移合并后成

39、为C3 DC+CADA即 此即Lomer反应，b 3C3，故C3为纯刃型位错，但 b 3与C3构成平面为（001），故C3为一固定位错。,118,随后，Cottrell指出，层错能不变时，C1、C2又各自分解为扩展位错，如图6-69所示。即 即 当每个位错中的一个不全位错达到交截线BC时，合并并位于BC上。即,120,Lomer-Cottrell反应,新位错为BC，b 为 110，滑移面为（001），该位错线是不可滑动的，牵制了三个不全位错和两片层错，这样形成于两个111面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的组态，为“Lomer-Cottrell位错”（面角位错）。它对fcc金属加工硬化起重要作用，其中 110位错又叫“压杆位错”。,3.7.5 位错的观测,1浸蚀坑法位错周围有点阵畸变，能量高，在相应化学浸蚀时出现浸蚀坑，原理如图6-70。,123,124,125,126,在立方晶系中，111面上蚀坑呈三角形，100面上呈四方形。,2透射电镜法由于位错附近点阵平面发生局部弯曲，那么射入位错附近的电子光束就会发生一定角度的衍射，相应使透射的电子光束减弱，从而使位错线变为黑色线条，下图为18-8不锈钢中多组平行位错和位错网络。,127,128,129,130,总目录,