材料科学基础线缺陷市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

1位错逐排依次运动位错逐排依次运动位错逐排依次运动位错逐排依次运动塑变塑变塑变塑变原子面整体滑移原子面整体滑移原子面整体滑移原子面整体滑移塑变塑变塑变塑变理论强度远大于实测值理论强度远大于实测值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探求新理论探求新理论位错理论位错理论位错理论位错理论发觉问题发觉问题 促使促使 关键关键 计算强度值计算强度值计算强度值计算强度值 实测值实测值实测值实测值结果结果 二、线缺点第1页21)1)刃位错刃位错刃位错刃位错1.1.1.1.位错基本类型位错基本类型位错基本类型位错基本类型形成形成 畸变区畸变区 多多多多出出出出（或或或或少少少少了了了了）半排原子面半排原子面半排原子面半排原子面用用用用（或或或或）表示）表示）表示）表示 刃位错刃位错刃位错刃位错 正：上压下拉正：上压下拉正：上压下拉正：上压下拉 负：上拉下压负：上拉下压负：上拉下压负：上拉下压 称为称为第2页3原原原原子子子子面面面面部部部部分分分分错错错错动动动动一个原子间距一个原子间距一个原子间距一个原子间距螺位错螺位错螺位错螺位错 不吻合不吻合不吻合不吻合过渡区过渡区过渡区过渡区形成形成 畸变区畸变区 纯剪切纯剪切纯剪切纯剪切应力区应力区应力区应力区 形成形成 称作称作2)2)螺位错螺位错螺位错螺位错第3页43)混合位错混合位错刃型位错分量刃型位错分量螺型位错分量螺型位错分量第4页5第5页62.2.2.2.柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量反应位错区畸变方向与程度反应位错区畸变方向与程度反应位错区畸变方向与程度反应位错区畸变方向与程度1)1)柏氏矢量求法柏氏矢量求法柏氏矢量求法柏氏矢量求法（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柏氏回路柏氏回路（2 2）将一样回路置于完整晶体中将一样回路置于完整晶体中将一样回路置于完整晶体中将一样回路置于完整晶体中不能闭合不能闭合不能闭合不能闭合（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柏氏矢量柏氏矢量1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111 12 23 34 45 56 67 78 89 910101111第6页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柏氏回路柏氏回路（2 2）将一样回路置于完整晶体中将一样回路置于完整晶体中将一样回路置于完整晶体中将一样回路置于完整晶体中不能闭合不能闭合不能闭合不能闭合（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柏氏矢量柏氏矢量1 12 21 12 23 34 41 12 23 31 12 23 34 41 11 11 12 21 12 23 34 41 12 23 31 12 23 34 41 11 1第7页8（1）满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关唯一性唯一性（2）用柏氏回路求得柏氏矢量为回路中包围全部位错柏用柏氏回路求得柏氏矢量为回路中包围全部位错柏氏矢量总和（矢量和）氏矢量总和（矢量和）可加性可加性（3）同一位错，柏氏矢量处处相同同一位错，柏氏矢量处处相同同一性同一性2）柏氏矢量特征）柏氏矢量特征第8页93）柏氏矢量表示法）柏氏矢量表示法对于立方晶系对于立方晶系a=b=c模：模：例：第9页10例：例：例：例：位错反应位错反应第10页114 4）三种位错柏氏矢量特点）三种位错柏氏矢量特点）三种位错柏氏矢量特点）三种位错柏氏矢量特点刃位错刃位错刃位错刃位错 垂直垂直垂直垂直 主要是正应力主要是正应力主要是正应力主要是正应力 螺位错螺位错螺位错螺位错 平行平行平行平行 纯剪应力纯剪应力纯剪应力纯剪应力 混合位错混合位错混合位错混合位错 一定角度一定角度一定角度一定角度 复杂复杂复杂复杂 位错类型位错类型位错类型位错类型 柏氏矢量与位柏氏矢量与位柏氏矢量与位柏氏矢量与位错线关系错线关系错线关系错线关系畸变应力场畸变应力场畸变应力场畸变应力场 第11页125）位错正、负（左、右）确定刃位错：刃位错：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有晶体图时用右手法则有晶体图时用右手法则 中指中指中指中指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无晶体图时用旋转法无晶体图时用旋转法 bb顺时针方向转顺时针方向转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，与位错线方向：顺正逆负，与位错线方向：顺正逆负人为要求位错线方向人为要求位错线方向人为要求位错线方向人为要求位错线方向LL第12页13螺位错：螺位错：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无晶体图时用旋转法无晶体图时用旋转法 bb与位错线方向：顺右逆左与位错线方向：顺右逆左与位错线方向：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第13页143.3.位错密度位错密度单位体积晶体中全部位错线总长度单位体积晶体中全部位错线总长度穿过单位截面积位错线数目（穿过单位面积位错线根穿过单位截面积位错线数目（穿过单位面积位错线根数，将位错简化为直线）数，将位错简化为直线）cm/cmcm/cm3 3 1/cm1/cm2 2 第14页4.4.位错运动位错运动 滑移面滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行平面：过位错线并和柏氏矢量平行平面(晶面晶面)是该位错滑移面。是该位错滑移面。位错滑移运动位错滑移运动：位错在滑移面上运动。：位错在滑移面上运动。第15页4.位错运动位错运动 第16页17第17页18位错线运动方向：在滑移面上，而且位错线运动方向位错线运动方向：在滑移面上，而且位错线运动方向/，位错线。以滑移面为分界面，位错线。以滑移面为分界面，x 所指向所指向那部分晶体必沿着那部分晶体必沿着 方向运动。方向运动。第18页19a）位错逐排依次前进，实现两原子面相对滑移；位错逐排依次前进，实现两原子面相对滑移；b）滑移量滑移量=柏氏矢量模；柏氏矢量模；c）外力）外力/b，位错线，位错线，位错线运动方向，位错线运动方向/d）一定时，正、负位错运动方向相反，但最终一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；滑移效果相同；e)滑移面唯一。滑移面唯一。第19页20正刃正刃负刃负刃左螺左螺右螺右螺第20页21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位错线运位错线运动方向与动方向与动方向与动方向与位错线位错线位错线位错线 与与 位错线位错线 与与 b bb b与与 位错线位错线类型类型 第21页222 2）攀移）攀移）攀移）攀移（1 1）方式）方式）方式）方式原子扩散离开（到）位错线原子扩散离开（到）位错线原子扩散离开（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）半原子面缩短（伸长）半原子面缩短（伸长）正（负）攀移正（负）攀移正（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）半原子面伸长（缩短）半原子面伸长（缩短）负（正）攀移负（正）攀移负（正）攀移负（正）攀移第22页23（2）特点）特点a）刃位错垂直于滑移面运动刃位错垂直于滑移面运动非守恒运动非守恒运动b）属扩散过程属扩散过程需热激活需热激活高温易出现高温易出现（3）作用）作用原滑移面上运动受阻原滑移面上运动受阻攀移攀移新滑移面新滑移面滑移继续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：说明：攀移不是塑性变形主要机制攀移不是塑性变形主要机制可避开障碍物可避开障碍物便于滑移便于滑移结论：结论：攀移能力攀移能力影响滑移进行影响滑移进行深入影响塑变能力深入影响塑变能力第23页243）交滑移）交滑移（1）方式）方式第24页25（2）特点）特点（3）作用）作用原滑移面上运动受阻原滑移面上运动受阻交滑移交滑移新滑移面新滑移面滑移继续滑移继续交滑移只能是螺位错才能发生说明：说明：交滑移不是塑变主要机制交滑移不是塑变主要机制可避开障碍物可避开障碍物便于滑移便于滑移结论：结论：交滑移能力交滑移能力影响滑移进行影响滑移进行深入影响塑变能力深入影响塑变能力交滑移交滑移仍在滑移面滑移仍在滑移面滑移守恒运动守恒运动第25页26攀移与交滑移比较攀移与交滑移比较攀移：攀移：只能刃位错只能刃位错 非守恒运动非守恒运动避开障碍物方式避开障碍物方式交滑移：交滑移：只能螺位错只能螺位错守恒运动守恒运动第26页275.位错力学性质1）位错应力场与应变能）位错应力场与应变能（1）应力分量与应变分量）应力分量与应变分量完全弹性体，服从虎克定律完全弹性体，服从虎克定律各向同性各向同性连续介质，能够用连续函数表示连续介质，能够用连续函数表示基本假设基本假设（连续介质模型）（连续介质模型）对位错线周围对位错线周围r0以内部分不适用以内部分不适用畸变严重，不符合上述基本假设畸变严重，不符合上述基本假设第27页28（a）单元体应力分量）单元体应力分量正应力：正应力：xx，yy，zz切应力：切应力：xy=yx，xz=zx，yz=zyxy作用面垂直于作用面垂直于x，方，方向为向为y第28页29（b）单元体应变分量）单元体应变分量正应变：正应变：正应变：正应变：xxxx，yyyy，zzzz 切应变：切应变：切应变：切应变：xyxy=yxyx，xzxz=zxzx 第29页30（c）柱坐标下分量）柱坐标下分量正应力：正应力：zz，rr，切应力：切应力：z=z，zr=rz，r=r与直角坐标关系：第30页31（2）位错应力场）位错应力场（a）螺位错应力场）螺位错应力场模型建立：模型建立：结果：结果：说明：说明：仅有仅有z方向切应力，无正应力。方向切应力，无正应力。切应力与切应力与无关，随无关，随r增大而减小。增大而减小。化为直角坐标时，仅存在与化为直角坐标时，仅存在与z相关切相关切应力。应力。厚壁圆桶厚壁圆桶沿径向切开沿径向切开沿沿z方向错动方向错动b 胶合胶合第31页32（b）刃位错应力场）刃位错应力场模型建立：模型建立：结果：结果：说明：说明：现有正应力，也有切应力。现有正应力，也有切应力。与与z轴相关切应力均为零。轴相关切应力均为零。厚壁圆桶厚壁圆桶沿径向切开沿径向切开沿沿x轴错动轴错动|b|胶合胶合第32页33（3）位错应变能）位错应变能单位长度螺位错应变能：单位长度螺位错应变能：单位长度刃位错应变能：单位长度刃位错应变能：单位长度混合位错应变能：单位长度混合位错应变能：其中：其中：第33页34（a）比较）比较wE wS（b）普通公式）普通公式其中：其中：为几何原因系数，约为几何原因系数，约0.51.0第34页35（c）小结）小结位错位错点阵畸变点阵畸变应变能应变能bw位错能量位错能量越稳定越稳定其大小其大小其大小其大小 说明说明说明说明 第35页36（d）螺位错应变能公式推导）螺位错应变能公式推导柱坐标下单位体积应变能为：柱坐标下单位体积应变能为：对于螺位错仅有对于螺位错仅有z不为零不为零故，对体积为故，对体积为V（长为（长为L）螺位错有）螺位错有第36页37即：即：积分积分得：得：第37页382）作用在位错线上力与位错线张力）作用在位错线上力与位错线张力（1）作用在位错线上力）作用在位错线上力第38页39（a）公式推导）公式推导外力外力使长为使长为l位错移动了位错移动了ds，作功作功dw1假想有一力假想有一力F作用于位错上，则作用于位错上，则F作功作功dw2有有单位长度位错线上力：单位长度位错线上力：第39页40（b）说明）说明 Fd，Fdb Fd位错线，指向未滑移区位错线，指向未滑移区 Fd为假象力，其方向与为假象力，其方向与不一定一致。（如螺位错不一定一致。（如螺位错Fd）第40页41（2）位错线张力）位错线张力位错受力位错受力弯曲弯曲伸长伸长线张力线张力位错变直位错变直能量能量能量能量（a）线张力概念）线张力概念（b）作用）作用使位错变直使位错变直降低位错能量降低位错能量相当于物质弹性相当于物质弹性称之为位错弹性性质称之为位错弹性性质类似于液体表面张力。类似于液体表面张力。第41页42（c）公式）公式C C 曲线形状因子曲线形状因子第42页43（d）实例）实例两端固定位错在两端固定位错在下弯曲问题下弯曲问题使位错弯曲，即使位错弯曲，即rT使位错变直，即使位错变直，即r当二者平衡时当二者平衡时第43页44第44页453）位错间交互作用与位错塞积）位错间交互作用与位错塞积（1）相互平行位错之间交互作用）相互平行位错之间交互作用 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位错上时，位错将发生弯曲。当外力作用在两端不能自由运动位错上时，位错将发生弯曲。由位错线张力与外力平衡关系：由位错线张力与外力平衡关系：即，弯曲半径即，弯曲半径r r与外力与外力 成反比。成反比。当位错弯曲成半圆时，当位错弯曲成半圆时，r r最小，最小，最大。最大。第55页n7.实际晶体中位错实际晶体中位错n(1)常见金属中位错：分全位错和不全位常见金属中位错：分全位错和不全位错。错。1)全位错和不全位错：实际晶体中，全位错和不全位错：实际晶体中，位位错柏氏矢量应符合晶体结构条件和能量条错柏氏矢量应符合晶体结构条件和能量条件件。结构条件结构条件：柏氏矢量必须：柏氏矢量必须连接相邻两个原连接相邻两个原子平衡位置子平衡位置。能量条件能量条件：柏氏矢量必须：柏氏矢量必须使使位错处于最低位错处于最低能量能量。第56页577.7.实际晶体中位错实际晶体中位错由简单立方，深化到面心立方、体心立方和由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中位错。密排六方晶体中位错。1 1）全位错与不全位错）全位错与不全位错）全位错与不全位错）全位错与不全位错（1 1）实际晶体中位错类型）实际晶体中位错类型）实际晶体中位错类型）实际晶体中位错类型简单立方：简单立方：b b点阵矢量点阵矢量只有全位错只有全位错实际晶体：实际晶体：b b=点阵矢量点阵矢量b b点阵矢量整数倍点阵矢量整数倍 全位错全位错其中其中b b点阵矢量点阵矢量单位位错单位位错b b点阵矢量整数倍点阵矢量整数倍不全位错不全位错其中其中b b 点阵矢量点阵矢量部分位错部分位错第57页58晶体结构晶体结构 位错类型位错类型柏氏矢量柏氏矢量bccbcc全位错全位错不全位错不全位错fccfcc全位错全位错不全位错不全位错hcphcp全位错全位错不全位错不全位错第58页59（2 2）形成单位位错条件）形成单位位错条件）形成单位位错条件）形成单位位错条件结构条件：结构条件：柏氏矢量为两原柏氏矢量为两原子平衡位置连线子平衡位置连线能量条件：能量条件：b b越小，位错能量越越小，位错能量越小，稳定性越高小，稳定性越高柏氏矢量最短点阵矢量柏氏矢量最短点阵矢量共同满足共同满足共同满足共同满足bccbcc：fccfcc：hcphcp：第59页602 2）堆垛层错）堆垛层错）堆垛层错）堆垛层错（1 1）形成）形成）形成）形成密排堆垛次序有误密排堆垛次序有误层错层错面缺点面缺点形成形成形成形成 属于属于属于属于 第60页61复习：fcc、bcc、hcp堆垛次序第61页62fcc晶体层错类型：抽出型：插入型：（2）特点）特点畸变很小，但仍有畸变能。材料层错能越低，层错数量越多。第62页633 3）不全位错（以面心立方为例）不全位错（以面心立方为例）不全位错（以面心立方为例）不全位错（以面心立方为例）局部区域层错局部区域层错 边界边界b b不等于点阵矢量不等于点阵矢量不全位错不全位错第63页64肖克莱位错：肖克莱位错：肖克莱位错：肖克莱位错：TT 柏柏氏矢量在滑移面上能够滑移能够滑移 TT 位位错运动相当于层错面扩大或缩小相当于层错面扩大或缩小 TT 肖肖克莱位错类型刃位错、螺位错、混合位错刃位错、螺位错、混合位错 TT 位位错线、柏氏矢量、滑移面共面肖克莱位错线为平面曲线肖克莱位错线为平面曲线第64页65弗兰克位错：柏氏矢量垂直于滑移面不可滑移，只能攀移位错运动相当于层错面扩大或缩小弗兰克位错类型纯刃位错能够是空间曲线第65页668.8.8.8.位错反应位错反应位错反应位错反应位错合并与分解位错合并与分解位错合并与分解位错合并与分解几何条件：几何条件：能量条件：能量条件：反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）反应后能量降低反应后能量降低判断方法：判断方法：判断方法：判断方法：几何条件判断方法：几何条件判断方法：求反应前后各个位错柏氏矢量矢量和求反应前后各个位错柏氏矢量矢量和能量条件判断方法：能量条件判断方法：求反应前后各位错求反应前后各位错|b|2和和第66页67例：例：bcc中，当中，当与与相遇时，能否合并为相遇时，能否合并为几何条件：几何条件：几何条件：几何条件：即：能量条件：能量条件：能量条件：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应能够发生（自发进行）满足几何条件和能量条件，反应能够发生（自发进行）即：第67页68例：例：fcc中，有中，有问，能否问，能否几何条件：几何条件：几何条件：几何条件：即：能量条件：能量条件：能量条件：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应能够发生（自发进行）满足几何条件和能量条件，反应能够发生（自发进行）即：第68页101a/2011a/2110a/2n例题例题1.3.4 在单晶铝在单晶铝(111)面上面上,有一柏氏矢量为有一柏氏矢量为101a/2位错位错;在在(111)面上有一柏氏矢量为面上有一柏氏矢量为011a/2位错位错,两位错发生反应两位错发生反应.试说明两位错反应后形成新位试说明两位错反应后形成新位错性质错性质.n解解:b=b1+b2=101a/2+011a/2=110a/2n此位错为面心立方结构中此位错为面心立方结构中n单位位错单位位错,位错线位错线为为110,n与与(111)两晶面交线两晶面交线110,n因为此位错柏氏矢量在因为此位错柏氏矢量在n(001)面上面上,而而(001)不是面心不是面心n立方结构滑移面立方结构滑移面,所以此所以此n位错是位错是固定位错固定位错.(111)(111)第69页70三、面缺点三、面缺点晶晶界界孪晶界孪晶界相相界界小角度晶界小角度晶界大角度晶界大角度晶界外表面外表面内表面内表面第70页711.1.小角度晶界小角度晶界1)类型类型（1）对称倾侧晶界）对称倾侧晶界相邻晶粒各转/2同号刃位错垂直排列（2）不对称倾侧晶界）不对称倾侧晶界相互垂直两组刃位错垂直排列第71页72（3）扭转晶界）扭转晶界两组螺位错组成第72页732)2)小角度晶界特点小角度晶界特点小角度晶界特点小角度晶界特点 1010 由位错组成由位错组成 位错密度位错密度 位向差位向差 晶格畸变晶格畸变 晶界能晶界能 位错密度位错密度决定位向差与晶界能决定位向差与晶界能 位错类型与排列方式位错类型与排列方式决定小角晶界类型决定小角晶界类型注：注：第73页742.2.大角度晶界大角度晶界10以上，普通在3040重合点阵模型重合点阵+台阶模型重合点阵+台阶+小角晶界模型第74页751）孪晶界）孪晶界两晶粒沿公共晶面形成镜面对称关系2）相界）相界相邻两相之间界面3 3孪晶界与相界孪晶界与相界3）分类）分类孪晶界(相界)点阵完全重合共格共格 孪晶界(相界)点阵基本重合部分共格+位错半共格半共格 孪晶界(相界)点阵完全不重合非共格非共格第75页764 4晶界能晶界能表现形式：界面张力第76页