材料科学基础位错反应和扩展位错市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

第第 三三 章章 晶晶 体体 缺缺 陷陷（六）（六）实际晶体结构中位错实际晶体结构中位错烟台大学烟台大学 秦连杰秦连杰E-mail：第1页面心立方晶体中经典位错面心立方晶体中经典位错柏氏矢量柏氏矢量位错类型位错类型刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混刃、螺、混纯刃纯刃位错线形状位错线形状空间曲线空间曲线111面面上任意曲线上任意曲线111面面上任意曲线上任意曲线可能运动方式可能运动方式滑移、攀移滑移、攀移只滑不攀只滑不攀只攀不滑只攀不滑位错名称位错名称全位错全位错肖克莱位错肖克莱位错弗兰克位错弗兰克位错第2页 4.位位错错反反应应(dislocation reaction)：4.位错反应位错反应v实际实际晶体中，晶体中，组态组态不不稳稳定位定位错错能能够转够转化化为组态稳为组态稳定位定位错错;v含有不一含有不一样样b位位错线错线能能够够合并合并为为一条位一条位错线错线；反之，；反之，一条位一条位错线错线也能也能够够分解分解为为两条或多条含有不一两条或多条含有不一样样b位位错线错线。v位位错错反反应应位错之间相互转换位错之间相互转换(即柏氏矢量合成与分解即柏氏矢量合成与分解)。第3页4.位错反应位错反应位错反应能否进行取决于两个条件：位错反应能否进行取决于两个条件：几何条件：反应前柏氏矢量和等于反应后柏氏矢量和。几何条件：反应前柏氏矢量和等于反应后柏氏矢量和。能量条件：反应后诸位错总能量小于反应前诸位错总能量，能量条件：反应后诸位错总能量小于反应前诸位错总能量，这是热力学定律所要求。这是热力学定律所要求。b1b2b3注意：注意：b方向与要求方向与要求正向相关。所以位正向相关。所以位错错反反应应中，普通要求中，普通要求反反应应前位前位错线错线指向指向节节点，反点，反应应后离开后离开节节点。点。第4页一个位错分解成两个或多个含有柏氏矢量位错，面心立方晶体中一个一个位错分解成两个或多个含有柏氏矢量位错，面心立方晶体中一个全位错分解成两个肖克莱不全位错。全位错分解成两个肖克莱不全位错。两个或多个含有不一样柏氏矢量不全位错合并成一个全位错，一个肖两个或多个含有不一样柏氏矢量不全位错合并成一个全位错，一个肖克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合并成一个全位错。克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合并成一个全位错。两个全位错合并成另一全位错。两个全位错合并成另一全位错。两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：4.位错反应位错反应第5页上例中：上例中：结构条件：结构条件：满足满足能量条件：能量条件：满足满足 反应能进行反应能进行4.位错反应位错反应第6页例：例：fcc中，柏氏矢量为中，柏氏矢量为 位错能否分解成单位位错？位错能否分解成单位位错？结构条件：结构条件：满足满足能量条件：能量条件：满足满足4.位错反应位错反应第7页 5.面心立方晶体中位错面心立方晶体中位错ThompsonThompson四面体：四面体：能够帮助能够帮助确定确定fcc结构中位错反应。结构中位错反应。1)汤普森四面体汤普森四面体 第8页1)汤普森四面体汤普森四面体 (b)四面体外表面中心位置四面体外表面中心位置第9页c）汤汤普森四面体展开普森四面体展开1)汤普森四面体汤普森四面体 第10页用于表示用于表示fcc晶体中位错反应晶体中位错反应 Thompson四面体在四面体在fcc晶胞中位置：晶胞中位置：D点在坐标原点，其余顶点在坐标原点，其余顶点坐标分别为，点坐标分别为，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（等边三角形）中心分别用个外表面（等边三角形）中心分别用、表示，并分别对表示，并分别对应应A、B、C、D四个顶点所正确面。这么四个顶点所正确面。这么A、B、C、D、等等8个点中每个点中每2个点连成向量就表示了个点连成向量就表示了fcc晶体中全部主要位错柏氏晶体中全部主要位错柏氏矢量。矢量。1)汤普森四面体汤普森四面体 第11页ABCD1)汤普森四面体汤普森四面体 第12页BADDDC(a)(c)(b)(d)由四面体顶点由四面体顶点A、B、C、D（罗马字母）连成向量：（罗马字母）连成向量：罗罗-罗向量就是罗向量就是fcc中全位错中全位错12个可能柏氏矢量个可能柏氏矢量1)汤普森四面体汤普森四面体 1、罗、罗-罗向量罗向量 第13页B ADDDC(a)(c)(b)(d)由四面体顶点（罗马字母）和经过该顶点外表面中心（不对由四面体顶点（罗马字母）和经过该顶点外表面中心（不对应希腊字母）连成向量：应希腊字母）连成向量：这些向量能够由三角形重心性质求得这些向量能够由三角形重心性质求得不对应罗不对应罗-希向量是希向量是fcc中中24个个Shockley不全位错柏氏矢量不全位错柏氏矢量2、不对应罗、不对应罗-希向量希向量 第14页B ADDDC(a)(c)(b)(d)4个顶点到它所正确三角形中点连线代表个顶点到它所正确三角形中点连线代表8个个1/3111型滑移矢量。依据矢量合成规则能够求出对应罗希向量：型滑移矢量。依据矢量合成规则能够求出对应罗希向量：对应罗希向量就是对应罗希向量就是fcc中中8个个Frank不全错柏氏矢量。不全错柏氏矢量。3、对应罗、对应罗-希向量希向量 第15页全部希希向量也都能够依据向量合成规则求得：全部希希向量也都能够依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柏氏矢量。柏氏矢量。B ADDDC(a)(c)(b)(d)4、希、希-希向量希向量 第16页2)扩展位错扩展位错 第17页面心立方中面心立方中扩扩展位展位错错深入解深入解释释：正常堆正常堆垛垛ABCABC.B位置到位置到C位置：位置：ABCACB.，层错层错第18页2)扩扩展位展位错错 由一个全位由一个全位错错分解分解为为两个不全位两个不全位错错，中，中间夹间夹着一个堆着一个堆垛层错垛层错整个位整个位错组态错组态。面心立方晶体中，能量最低全位面心立方晶体中，能量最低全位错错是是处处于于(111)面上柏氏矢量面上柏氏矢量为为 单单位位位位错错。现现考考虑虑它沿它沿(111)面滑移情况。面滑移情况。如如图图(111)面上面上圆圆球位置球位置为为A层层位置，位置，B层层和和C层层原子分原子分别处别处于三个于三个A层层原子位置低谷位置。原子位置低谷位置。a)全位全位错错滑移滑移 若若单单位位位位错错 在切在切应应力作用下沿力作用下沿着着(111)在在A层层原子面上滑移原子面上滑移时时，则则B层层原子从原子从B1位置滑位置滑动动到相到相邻邻 B2位置，点位置，点阵阵排列没有改排列没有改变变，不存在，不存在层错现层错现象。但需要越象。但需要越过过A层层原子原子“高峰高峰”，这这需要提供需要提供较较高能量。高能量。面心立方晶体中，能量最低全位面心立方晶体中，能量最低全位错错是是处处于于(111)面上柏氏矢量面上柏氏矢量为为 单单位位位位错错。现现考考虑虑它沿它沿(111)面滑移情况。面滑移情况。第19页 但假如滑移分两步完成，即先从但假如滑移分两步完成，即先从 B1位置沿位置沿A原子间原子间“低谷低谷”滑移到邻近滑移到邻近C位置，即位置，即 ；然后再由；然后再由C滑移到滑移到另一个另一个 B2位置，即位置，即 ，这种滑，这种滑移比较轻易。移比较轻易。b)及及 分位错滑移及其间层错分位错滑移及其间层错 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)面上造成堆垛次序改变，即由面上造成堆垛次序改变，即由原来原来ABCABC.正常堆垛次序变为正常堆垛次序变为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，则又恢复正常堆垛次序。又恢复正常堆垛次序。第20页 每一步滑移造成了层错，所以，每一步滑移造成了层错，所以，层错层错区与正常区之间必定会形成两个不全位错。区与正常区之间必定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 ，全位错运动由两个不全位错运动来，全位错运动由两个不全位错运动来完成，即完成，即 这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行，因为这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行，因为几何条件：几何条件：能量条件：能量条件：第21页2)扩扩展位展位错错 v分解后分解后这这两个不全位两个不全位错错位于同一滑移位于同一滑移面上，其柏氏矢量面上，其柏氏矢量夹夹角是角是60，它，它们们是相互排斥，有分开是相互排斥，有分开趋势趋势，在两个不，在两个不全位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区组态组态称之称之为为扩扩展位展位错错。第22页BBBBBBC CC CAC CC CA Ab1 b2 b3 b1 b2 b3 C Cb1=b2+b3+SF 2)扩展位错扩展位错 第23页（1）扩展位错宽度）扩展位错宽度v为了降低两个不全位错间层错能为了降低两个不全位错间层错能，力，力争把两个不全位错间距缩小，则相当争把两个不全位错间距缩小，则相当于给予两个不全位错一个吸力，数值于给予两个不全位错一个吸力，数值等于层错表面张力等于层错表面张力（即单位面积层（即单位面积层错能）。错能）。v两个不全位错间斥力则力图增加宽度两个不全位错间斥力则力图增加宽度，当斥力与吸力相平衡时当斥力与吸力相平衡时，不全位错之，不全位错之间距离一定，这个间距离一定，这个平衡距离便是扩展平衡距离便是扩展位错宽度位错宽度 d。面心立方晶体中扩展位错面心立方晶体中扩展位错 第24页当当 f 与层错能与层错能相等时，处于平衡相等时，处于平衡 扩展位错宽度扩展位错宽度:层错能层错能，扩展宽度，扩展宽度d，相反则，相反则。dbCoAgCuAuAlNi0.020.020.040.060.200.25J/m2两个平行不全位错之间斥力两个平行不全位错之间斥力（1）扩展位错宽度）扩展位错宽度第25页v 纯螺位错在纯螺位错在 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原因使原子或其它原因使层层错错面上一些地域能量提升面上一些地域能量提升时时，该该地域地域扩扩展位展位错错就会就会变变窄，窄，甚至收甚至收缩缩成一个成一个结结点，点，又又变变成原来全位成原来全位错错，这这个个现现象称象称为为位位错错束集束集。束集能够看作束集能够看作位错扩展反过程。位错扩展反过程。（2）扩展位错束集）扩展位错束集第26页在外力作用下，扩展位错收缩成原来全位错在外力作用下，扩展位错收缩成原来全位错过程称为束集。过程称为束集。（2）扩展位错束集）扩展位错束集第27页v因为扩展位错只能在其所在滑移面上运动，若要进行因为扩展位错只能在其所在滑移面上运动，若要进行交滑移，扩展位错必须首先交滑移，扩展位错必须首先束集成全螺位错束集成全螺位错，然后交然后交滑移到滑移到 面上，重新分解成新扩展位错，继续运面上，重新分解成新扩展位错，继续运动。动。总结：总结：在实际晶体中，因为扩展位错形成，螺位错交滑移在实际晶体中，因为扩展位错形成，螺位错交滑移比全位比全位错交滑移要错交滑移要困难得多困难得多，必须经束集后才能进行。晶体层错能越，必须经束集后才能进行。晶体层错能越低，扩展位错宽度越大，束集越困难，不易交滑移，所以晶体低，扩展位错宽度越大，束集越困难，不易交滑移，所以晶体变形抗力越大。变形抗力越大。（3）扩展位错交滑移）扩展位错交滑移第28页扩展位错交滑移过程扩展位错交滑移过程扩展位错交滑移过程扩展位错交滑移过程第29页第30页（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位错网络成二维或三维位错网络成二维或三维位错网络成二维或三维位错网络第31页设：设：面上有面上有扩扩展位展位错错：面上有面上有扩扩展位展位错错：在相交滑移面上两个扩展位错领先位错相遇而成在相交滑移面上两个扩展位错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.面角位面角位错错(L-C位位错错、压压杆位杆位错错)第32页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)第33页 该扩展位错在各自滑移面上相向移动，当扩展位错中一该扩展位错在各自滑移面上相向移动，当扩展位错中一该扩展位错在各自滑移面上相向移动，当扩展位错中一该扩展位错在各自滑移面上相向移动，当扩展位错中一个不全位错抵达交线个不全位错抵达交线个不全位错抵达交线个不全位错抵达交线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，滑滑滑滑移移移移面面面面是（是（是（是（001001），所以是固定纯刃型位错。），所以是固定纯刃型位错。），所以是固定纯刃型位错。），所以是固定纯刃型位错。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（11111 1）面面面面上上上上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）面面面面面面面面角角角角上上上上，这这这这种种种种因因因因为为为为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组组组组成成成成位位位位错错错错组组组组态态态态称称称称为为为为LomerLomerCottrellCottrell位错位错位错位错 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）面面面面面面面面角角角角上上上上，这这这这种种种种因因因因为为为为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组组组组成成成成位位位位错错错错组组组组态态态态称称称称为为为为LomerLomerCottrellCottrell位错位错位错位错第34页面心立方面心立方结结构中，在构中，在 和和 面上有两个面上有两个全位全位错错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)第35页两个全位两个全位错错b1和和b2发发生分解，形成生分解，形成扩扩展位展位错错：4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)第36页在外力作用下，两个在外力作用下，两个扩扩展位展位错错向两个滑移面交向两个滑移面交线处线处滑移。滑移。两个两个领领先不全位先不全位错错b12和和b21在交在交线线110处处相遇，相遇，发发生合生合成反成反应应：面角位错面角位错反反应应生成两面一生成两面一夹夹角角组态组态面角位面角位错错。4.面角位错面角位错(L-C位错、压杆位错位错、压杆位错)第37页例例例例 题题题题 一一一一若面心立方晶体中有若面心立方晶体中有 单单位位位位错错及及 不全位不全位错错，此二位，此二位错错相遇后相遇后发发生位生位错错反反应应。问问：1、此位错反应能否进行？为何？、此位错反应能否进行？为何？2、写出合成位错柏氏矢量，写出合成位错柏氏矢量，并说明合成位错性质。并说明合成位错性质。第38页解解:几何条件几何条件 能量条件能量条件 属于弗属于弗兰兰克不全位克不全位错错，b与与层错层错面和位面和位错线错线垂直，垂直，故是故是纯纯刃型。刃型。第39页例例例例 题题题题 二二二二试分析在试分析在试分析在试分析在FCCFCC中，以下位错反应能否进行？并指中，以下位错反应能否进行？并指中，以下位错反应能否进行？并指中，以下位错反应能否进行？并指出其中三个位错性质类型？反应后生成新位错能出其中三个位错性质类型？反应后生成新位错能出其中三个位错性质类型？反应后生成新位错能出其中三个位错性质类型？反应后生成新位错能否在滑移面上运动？否在滑移面上运动？否在滑移面上运动？否在滑移面上运动？第40页第41页在在在在A1A1单晶体中，若单晶体中，若单晶体中，若单晶体中，若(111)(111)面上有一位错面上有一位错面上有一位错面上有一位错 与与与与 面上位错面上位错面上位错面上位错 发生反应时，发生反应时，发生反应时，发生反应时，(1)(1)写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位 错反应进行方向，错反应进行方向，错反应进行方向，错反应进行方向，(2)(2)说明新位错性质；说明新位错性质；说明新位错性质；说明新位错性质；例题例题 三三第42页解：(1)位错反应能够向右进行（2 2）新位错为面心立方点阵单位位错，其位错线为（）新位错为面心立方点阵单位位错，其位错线为（111111）与）与 两个晶面交线两个晶面交线 ，新位错为刃型位错，其滑移面为，新位错为刃型位错，其滑移面为（001001），对于面心立方点阵，这新位错为固定位错。），对于面心立方点阵，这新位错为固定位错。第43页(1)bcc 滑滑移移面面有有111 112 113 单单位位位位错错 b=a/2111bcc中中易易发发生生交交滑滑移移，没没有有扩扩展展位位错错，没有位错分解没有位错分解(2)hcp 全位错全位错(3)关关于于离离子子晶晶体体位位错错、共共价价晶晶体体中中位位错错、高高分分子子晶晶体体中位错请参考教材及相关资料。中位错请参考教材及相关资料。6.其它晶体中位错其它晶体中位错第44页第45页第46页第47页第48页练练练练 习习习习 四四四四第49页第50页