04-2-3 FH4-2-5.6.7节 晶体缺陷-位错作用增殖与实际位错.pptx

第1页：晶体缺陷

第4章晶体缺陷Crystal defects

• 0绪论
• 第1章原子结构与结合键Atomic Structure and binding bond
• 第2章晶体学基础Basis of Crystallography
• 第3章晶体结构Crystal Structure
• 第5章非晶体与准晶结构Amorphous andQuasicrystalStructure
• 第6章相图Phase Diagram
• 第7章固体扩散Solid Diffusion
• 第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization
• 第9章烧结与聚合Sintering and Polymerization
• 第10章固态相变Solid Phase Transformation材料科学与工艺的基础理论

第2页：晶体缺陷

第4章晶体缺陷Chapter 4 Crystal Defect4.1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(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

第3页：晶体缺陷·位错移出晶体表面时

位错移出晶体表面时在表面上产生b大小的台阶。复习

第4页：位错移出晶体表面时·螺位错应力场

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：位错的应力场

第5页：螺位错应力场·一对平行刃位错

一对平行刃位错和螺位错的应力场：无相同的应力分量

第6页：位错间的交互作用

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Interactions between dislocations and crystaldefects

第7页：位错间的交互作用

一、位错间的交互作用Interactions between dislocations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）

第8页：位错间的交互作用·一对平行刃位错

1.一对平行刃位错的交互作用位错墙

第9页：一对平行刃位错·同号螺位错

• 92.一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！）

第10页：同号螺位错·一对平行刃位错

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。

第11页：一对平行刃位错

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。

第12页：一对平行刃位错·位错与点缺陷

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

第13页：位错与点缺陷·溶质原子

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？？

第14页：溶质原子·点缺陷产生球形

• 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。

第15页：点缺陷产生球形·大置换原子

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。

第16页：大置换原子·小溶质原子位于滑移面

• 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。

第17页：小溶质原子位于滑移面

• 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）

第18页：小溶质原子位于滑移面

Cottrell气团的作用：对运动的位错起钉扎作用，→→→固溶强化。

第19页：小溶质原子位于滑移面·固溶强化

• 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。0ⅦⅥⅤⅣⅢⅡbⅠbⅧbⅦbⅥbⅤbⅣbⅢbⅡⅠHeHNeFONCBBeLiArCiSPSiAlMgNaKrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaKXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRbRnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsRfAcRaFr

第20页：固溶强化·Cottrell气团

• 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。0ⅦⅥⅤⅣⅢⅡbⅠbⅧbⅦbⅥbⅤbⅣbⅢbⅡⅠHeHNeFONCBBeLiArCiSPSiAlMgNaKrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaKXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRbRnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsRfAcRaFr

第21页：Cottrell气团

位错切过粒子位错绕过粒子

第22页：晶体结构缺陷

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Interactions between dislocations and crystal defectsProliferation,pile-up and intersection of dislocationsDislocations in actual crystals

第23页：位错的增殖

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-up and intersection of dislocations

第24页：位错的增殖·目前被普遍接受

• 1)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1

第25页：Frank-Read源增殖机制

（一）Frank-Read源增殖机制

第26页：Frank-Read源增殖机制

（一）Frank-Read源增殖机制

第27页：Frank-Read源增殖机

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

第28页：Frank-Read源增殖机

Si单晶中的F-R源

第29页：Frank-Read源增殖机

位错绕过动画动画-位错切过

第30页：Frank-Read源增殖机

• 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
• »10-4G。接近晶体的屈服应力。

第31页：Frank-Read源增殖机

（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。

第32页：Frank-Read源增殖机

32SiC中的螺位错生长：螺旋长大台阶，提供原子附着的有利位置。

第33页：Frank-Read源增殖机

(三）空位聚集形成位错

第34页：Frank-Read源增殖机

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

第35页：Frank-Read源增殖机

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）

第36页：Frank-Read源增殖机

• ？？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。

第37页：位错的交割

三、位错的交割intersection of dislocations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

第38页：位错的交割·两个位错交割后

• 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。

第39页：两个位错交割后

• 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

第40页：刃位错与螺位错的交割

（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。

第41页：刃位错与螺位错的交割

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。1.两位错交割，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。

第42页：刃位错与螺位错的交割

离散位错动力学模拟，位错的产生，湮灭，交互作用。

第43页：刃位错与螺位错的交割·实际晶体

• 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：E
• b2，b要小。第七节实际晶体中的位错

第44页：全位错与不全位错

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。

第45页：

第46页：

第47页：全位错与不全位错·47fcc

47fcc和hcp密排面的堆垛方式hcp:ABABAB… fcc:ABCABC…

第48页：

第49页：晶体缺陷

b=<110>a/2b=<112>a/6BCA

第50页：

第51页：晶体缺陷

b=<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BB

第52页：晶体缺陷

b=<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。

第53页：晶体缺陷·堆垛层错

堆垛层错

第54页：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>

第55页：堆垛层错·BCBBCAShoc

BCBBCAShockley不全位错b=a/6.<112>堆垛层错不全位错不全位错

第56页：BCBBCAShoc·扩展位错

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

第57页：扩展位错·不锈钢中

不锈钢中的扩展位错变形Cu-Al合金F：堆垛层错

第58页：层错能

• 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不锈钢黄铜AgAuCuAlNi金属1.3×10-63.5×10-62×10-66.6×10-67×10-620×10-640×10-6层错能/J·cm-2

第59页：层错能·不锈钢中

不锈钢中的扩展位错变形Cu-Al合金F：堆垛层错

第60页：不锈钢中

扩展位错的平衡宽度

d=Gb1b2/2

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。

扩展位错的平衡宽度与层错能

第61页：不锈钢中·第二种堆垛层错形成方

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.

第62页：第二种堆垛层错形成方

Franker不全位错：层错矢量是?层错矢量是：b=a/3 <111>;纯刃位错

第63页：特点

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：

第64页：特点·位错反应位错之间相互

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后。(2)能量条件

反应后位错的总能量降低。

b2后。(1)位错分解

fcc中：全位错分解为2个shockley不全位错。

b前＝

b2前>

第65页：位错合并：fcc中：1个

(2)位错合并：fcc中：1个shockley和1个Franker不全位错合并为全位错。(3)位错重组：bcc中:fcc中：2个全位错合并为1个全位错。

第66页：位错的增殖

一、位错的增殖Frank-Read源增殖机制双交滑移增殖机制第六节位错的增殖、塞积与交割二、位错的塞积三、位错的交割2.割阶和扭折使位错线长度增加，能量增加,成为位错运动的阻碍。1.两位错交割，会产生台阶，自身柏氏矢量b不变，2.台阶大小取决于另一位错的b值。小结

第67页：全位错与不全位错

一、全位错与不全位错第七节实际晶体中的位错A. Franker不全位错：b=a/3.<111>和｛111｝面垂直。B. Shockley不全位错：不均匀滑移a/6.<112>造成的不全位错。二、位错反应(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。小结

第68页：扩展位错

三、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。扩展位错的平衡宽度：d=Gb1b2/2

扩展位错的平衡宽度与层错能成反比.小结

第69页：扩展位错·点缺陷和界面通过

• 通常情况下，
• 位错是晶体强度与变形的决定性因素。
• 点缺陷和界面通过对位错的影响而间接地起作用。小结

第70页：点缺陷和界面通过·70A和

70A和B分别是材料的传统强化途径示意图。A（自左向右）：固溶强化、第二相弥散或沉淀强化、加工（或应变）强化。B：晶粒细化强化（或晶界强化）。C为新提出的纳米尺度孪晶界强化示意图，右侧为一孪晶界示意图。

第71页：

第72页：结束页

谢谢！