位错反应与层错理论.ppt

位错反应和层错机理2021/10/101面心立方晶体中的典型位面心立方晶体中的典型位错柏氏矢量柏氏矢量位位错类型型刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混纯刃刃位位错线形状形状空空间曲曲线111面面上任意曲上任意曲线111面面上任意曲上任意曲线可能运可能运动方式方式滑移、攀移滑移、攀移只滑不攀只滑不攀只攀不滑只攀不滑位位错名称名称全位全位错肖克莱位肖克莱位错弗弗兰克位克位错2021/10/102 4.位位错错反反应应(dislocation reaction)：v实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定的位错的位错;v具有不同具有不同b的位错线可以合并为一条位错线；反之，的位错线可以合并为一条位错线；反之，一条位错线也可以分解为两条或多条具有不同一条位错线也可以分解为两条或多条具有不同b的位的位错线。错线。v位错反应位错反应位位错之之间相互相互转换(即柏氏矢量的合成与分即柏氏矢量的合成与分解解)。一、位错反应一、位错反应2021/10/103位位错反反应能否能否进行取决于两个条件：行取决于两个条件：几何条件：反几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。后的柏氏矢量和。能量条件：反能量条件：反应后后诸位位错的的总能量小于反能量小于反应前前诸位位错的的总能量，能量，这是是热力学定律所要求的。力学定律所要求的。b1b2b3注意：注意：b的方向与规定的的方向与规定的的正向有关。所的正向有关。所以位错反应中，一般规定以位错反应中，一般规定反应前位错反应前位错线指向节点，反应后离开节点。线指向节点，反应后离开节点。位错反应判据位错反应判据2021/10/104一个位一个位错分解成两个或多个具有不同柏氏矢量的位分解成两个或多个具有不同柏氏矢量的位错，面心立方晶体，面心立方晶体中一个全位中一个全位错分解成两个肖克莱不全位分解成两个肖克莱不全位错。两个或多个具有不同柏氏矢量的不全位两个或多个具有不同柏氏矢量的不全位错合并成一个全位合并成一个全位错，一个肖，一个肖克莱不全位克莱不全位错和一个弗和一个弗兰克不全位克不全位错合并成一个全位合并成一个全位错。两个全位两个全位错合并成另一全位合并成另一全位错。两个位两个位错合并重新合并重新组合成另两个位合成另两个位错，如体心立方中：，如体心立方中：位错反应类型位错反应类型2021/10/105FCC FCC 中，以全位错分解成两个肖克莱位错为例。中，以全位错分解成两个肖克莱位错为例。u结构条件：构条件：满足足u能量条件：能量条件：满足足位错反应判据详解位错反应判据详解2021/10/106ThompsonThompson四面体：四面体：可以帮助可以帮助确定确定fccfcc结构中的位错反应。结构中的位错反应。沿沿(111)(111)面，定义每个面的中面，定义每个面的中点坐标为：点坐标为：汤普森四面体汤普森四面体 2021/10/107 (b)b)四四面面体体外外表表面面中中心心位位置置 定定义义：为为ABCABC面中点面中点 为为BCDBCD面中点面中点 为为ABDABD面中点面中点 为为ACDACD面中点面中点汤普森四面体汤普森四面体 2021/10/108实例计算 2021/10/109汤普森四面体的展开汤普森四面体的展开 2021/10/1010用于表示用于表示fcc晶体中的位晶体中的位错反反应 Thompson四面体在四面体在fcc晶胞中的位置：晶胞中的位置：D点在坐点在坐标原点，其余原点，其余顶点的坐点的坐标分分别为，A(1/2,0,1/2)，B(0,1/2,1/2)，C(1/2,1/2,0)。四面体。四面体4个外表面（等个外表面（等边三角形）的中心分三角形）的中心分别用用、表示，并分表示，并分别对应A、B、C、D四个四个顶点所点所对的面。的面。这样A、B、C、D、等等8个点中的每个点中的每2个点个点连成的向量就表成的向量就表示了示了fcc晶体中所有重要位晶体中所有重要位错的柏氏矢量。的柏氏矢量。汤普森四面体位点解释汤普森四面体位点解释 2021/10/1011ABCD汤普森四面体位点坐标汤普森四面体位点坐标 2021/10/1012BADDDC(a)(c)(b)(d)由四面体顶点由四面体顶点A、B、C、D（罗马字母）连成的向量：（罗马字母）连成的向量：罗罗-罗向量就是罗向量就是fcc中全位错的中全位错的12个可能的柏氏矢量个可能的柏氏矢量1 1、罗、罗-罗向量罗向量2021/10/1013B ADDDC(a)(c)(b)(d)由四面体由四面体顶点（点（罗马字母）和通字母）和通过该顶点的外表面中心（不点的外表面中心（不对应的希腊字母）的希腊字母）连成的向量：成的向量：这些向量可以由三角形重心性些向量可以由三角形重心性质求得求得不不对应的的罗-希向量是希向量是fcc中中24个个Shockley不全位不全位错的柏氏矢量的柏氏矢量2 2、不对应的罗、不对应的罗-希向量希向量2021/10/1014B ADDDC(a)(c)(b)(d)4个个顶点到它所点到它所对的三角形中点的的三角形中点的连线代表代表8个个1/3111型的滑移矢量。根据矢量合成型的滑移矢量。根据矢量合成规则可以求出可以求出对应的的罗希向量：希向量：对应的罗希向量就是对应的罗希向量就是fcc中中8个个Frank不全错的柏氏矢量。不全错的柏氏矢量。3 3、对应的罗、对应的罗-希向量希向量2021/10/1015所有希希向量也都可以根据向量合成规则求得：所有希希向量也都可以根据向量合成规则求得：同理可得：同理可得：希希向量就是希希向量就是fcc中中压杆位错压杆位错的柏氏矢量。的柏氏矢量。B ADDDC(a)(c)(b)(d)4 4、希、希-希向量希向量2021/10/10162)扩展位错扩展位错 2021/10/1017面心立方中扩展位错的进一步解释面心立方中扩展位错的进一步解释：正常堆垛正常堆垛ABCABC.B位置到位置到C位置：位置：ABCACB.，层错，层错2021/10/10182)扩展位错扩展位错 由一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。由一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为面上的柏氏矢量为 的单位位错。现考虑它沿的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。面的滑移情况。如图如图(111)面上的圆球位置为面上的圆球位置为A层位置，层位置，B层层和和C层的原子分别处于三个层的原子分别处于三个A层原子位置的低谷层原子位置的低谷位置。位置。a)全位错的滑移全位错的滑移 若单位位错若单位位错 在切应力作用下沿在切应力作用下沿着着(111)在在A层原子面上滑移时，则层原子面上滑移时，则B层原子从层原子从B1位置滑动到相邻的位置滑动到相邻的 B2位置，点位置，点阵排列没有变化，不存在层错现象。但需要阵排列没有变化，不存在层错现象。但需要越过越过A层原子的层原子的“高峰高峰”，这需要提供较高，这需要提供较高的能量。的能量。面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为面上的柏氏矢量为 的单位位错。现考虑它沿的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。面的滑移情况。2021/10/1019 但如果滑移分两步完成，即先从但如果滑移分两步完成，即先从 B1位置沿位置沿A原子间的原子间的“低谷低谷”滑移到邻近滑移到邻近的的C位置，即位置，即 ；然后再由；然后再由C滑滑移到另一个移到另一个 B2位置，即位置，即 ，这，这种滑移比较容易。种滑移比较容易。b)及及 分位错的滑移及其间的层错分位错的滑移及其间的层错 第一步当第一步当B层原子移到层原子移到C位置时，将位置时，将在在(111)面上导致堆垛顺序变化，即由面上导致堆垛顺序变化，即由原来的原来的ABCABC.正常堆垛顺序变为正常堆垛顺序变为ABCA CABC.。这种原子堆垛次序遭这种原子堆垛次序遭到破坏现象称为到破坏现象称为堆垛层错堆垛层错。而第二步从而第二步从C位置再移到位置再移到B位置时，则位置时，则又恢复正常堆垛顺序。又恢复正常堆垛顺序。2021/10/1020 每一步滑移造成了层错，因此，每一步滑移造成了层错，因此，层错层错区与正常区之间必然会形成两个不全位错。区与正常区之间必然会形成两个不全位错。故故 和和 为肖克莱不全位错。也就是说，为肖克莱不全位错。也就是说，一个全位错一个全位错 分解为两个肖克莱不全位错分解为两个肖克莱不全位错 和和 ，全位错的运动由两个不全位错的运，全位错的运动由两个不全位错的运动来完成，即动来完成，即 这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行的，因为这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行的，因为几何条件：几何条件：能量条件：能量条件：2021/10/10212)扩展位错扩展位错 v分解后的分解后的这这两个不全位两个不全位错错位于同一滑位于同一滑移面上，其柏氏矢量移面上，其柏氏矢量夹夹角是角是6060，它，它们们是互相排斥的，有分开的是互相排斥的，有分开的趋势趋势，在，在两个不全位两个不全位错错之之间夹间夹了一片了一片层错层错区。区。v通常我通常我们们将将这这种两个不全位种两个不全位错夹错夹一个一个层错层错区的区的组态组态称之称之为为扩扩展位展位错错。2021/10/1022BBBBBBCCCCACCCCA Ab1 b2 b3 b1 b2 b3 CCb1=b2+b3+SF 2)扩展位错扩展位错 2021/10/1023（1）扩展位错的宽度）扩展位错的宽度v为了降低两个不全位错间的层错能，为了降低两个不全位错间的层错能，力求把两个不全位错的间距缩小，则力求把两个不全位错的间距缩小，则相当于给予两个不全位错一个吸力，相当于给予两个不全位错一个吸力，数值等于层错的表面张力数值等于层错的表面张力（即单位（即单位面积层错能）。面积层错能）。v两个不全位错间的斥力则力图增加宽两个不全位错间的斥力则力图增加宽度，度，当斥力与吸力相平衡时当斥力与吸力相平衡时，不全位，不全位错之间的距离一定，这个错之间的距离一定，这个平衡距离便平衡距离便是扩展位错的宽度是扩展位错的宽度 d。面心立方晶体中的扩展位错面心立方晶体中的扩展位错 2021/10/1024当当 f 与与层错能能相等相等时，处于平衡于平衡 扩展位展位错的的宽度度:层错能能，扩展展宽度度d，相反，相反则。dbCoAgCuAuAlNi0.020.020.040.060.200.25J/m2两个平行不全位两个平行不全位错之之间的斥力的斥力（1）扩展位错的宽度）扩展位错的宽度2021/10/1025v 纯螺位螺位错在在 面上分解面上分解v运运动过动过程中，若前方受阻，程中，若前方受阻，两个偏位两个偏位错错束集成全位束集成全位错错。当当杂质杂质原子或其它因素使原子或其它因素使层层错错面上某些地区的能量提高面上某些地区的能量提高时时，该该地区的地区的扩扩展位展位错错就会就会变变窄，甚至收窄，甚至收缩缩成一个成一个结结点，点，又又变变成原来的全位成原来的全位错错，这这个个现现象称象称为为位位错错的束集的束集。束束集可以看作集可以看作位错扩展的反过位错扩展的反过程。程。（2）扩展位错的束集）扩展位错的束集2021/10/1026在外力作用下，在外力作用下，扩展位展位错收收缩成原来的全位成原来的全位错的的过程称程称为束集。束集。（2）扩展位错的束集）扩展位错的束集2021/10/1027v由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进行交滑移，扩展位错必须首先行交滑移，扩展位错必须首先束集成全螺位错束集成全螺位错，然后然后交滑移到交滑移到面上，重新分解成新的面上，重新分解成新的扩展位展位错，继续运运动。总结：在在实际晶体中，由于晶体中，由于扩展位展位错的形成，螺位的形成，螺位错的交滑移的交滑移比比全位错的交滑移要全位错的交滑移要困难得多困难得多，必，必须经束集后才能束集后才能进行。晶体行。晶体层错能越低，能越低，扩展位展位错的的宽度越大，束集越困度越大，束集越困难，不易交滑移，不易交滑移，因此晶体的因此晶体的变形抗力越大。形抗力越大。（3）扩展位错的交滑移）扩展位错的交滑移2021/10/1028扩展位错的交滑移过程扩展位错的交滑移过程扩展位错的交滑移过程扩展位错的交滑移过程2021/10/1029（3）位错）位错网络网络网络网络 Dislocation networkDislocation network实实实实际际际际晶晶晶晶体体体体中中中中存存存存在在在在几几几几个个个个b b位位位位错错错错时时时时会会会会组组组组成二维或三维的位错网络成二维或三维的位错网络成二维或三维的位错网络成二维或三维的位错网络2021/10/1030设：设：面上有扩展位错：面上有扩展位错：面上有扩展位错：面上有扩展位错：在相交滑移面上两个扩展位错的领先位错相遇而成在相交滑移面上两个扩展位错的领先位错相遇而成即（即（a）BDC面上：面上：即（即（d）ABC面上：面上：4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)2021/10/1031反应过程反应过程滑移面：滑移面：Lomer-Cottrell位错，面角位错位错，面角位错 4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)2021/10/1032 该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错中该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错中该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错中该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错中的一个不全位错到达交线的一个不全位错到达交线的一个不全位错到达交线的一个不全位错到达交线BCBC时，发生位错反应：时，发生位错反应：时，发生位错反应：时，发生位错反应：B B +B B 新新新新位位位位错错错错1/61101/6110的的的的柏柏柏柏氏氏氏氏矢矢矢矢量量量量在在在在（001001）面面面面上上上上，滑滑滑滑移面是（移面是（移面是（移面是（001001），因此是固定的纯刃型位错。），因此是固定的纯刃型位错。），因此是固定的纯刃型位错。），因此是固定的纯刃型位错。另另另另外外外外，它它它它还还还还带带带带着着着着两两两两片片片片分分分分别别别别位位位位于于于于（111111）和和和和 面面面面上上上上的的的的层层层层错错错错以以以以及及及及两两两两个个个个不不不不全全全全位位位位错错错错，在在在在两两两两个个个个（111111）面面面面的的的的面面面面角角角角上上上上，这这这这种种种种由由由由于于于于三三三三个个个个不不不不全全全全位位位位错错错错和和和和两两两两片片片片层层层层错错错错构构构构成成成成的的的的位位位位错错错错组态组态组态组态称为称为称为称为LomerLomerCottrellCottrell位错位错位错位错2021/10/1033面心立方结构中，在面心立方结构中，在 和和 面上有两个面上有两个全位错全位错b1和和b2：4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)2021/10/1034两个全位错两个全位错b1和和b2发生分解，形成扩展位错：发生分解，形成扩展位错：4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)2021/10/1035在外力作用下，两个扩展位错向两个滑移面的交线处滑在外力作用下，两个扩展位错向两个滑移面的交线处滑移。两个领先不全位错移。两个领先不全位错b12和和b21在交线在交线110处相遇，发处相遇，发生合成反应：生合成反应：面角位错面角位错反应生成两面一夹角反应生成两面一夹角组态的面角位错。组态的面角位错。4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)2021/10/1036