材料物理学(2-3)省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,第2章 位错基本知识,主要内容,位错应力场位错应变能和线张力,位错间作用力,位错攀移,割阶及其运动,弯结及其运动,第1页,第一节 直线位错应力场,直线位错应力场,螺型位错,柱面坐标表示：,直角坐标表示：,式中，G为切变模量，b为柏氏矢量，r为距位错中心距离,螺型位错应力场特点：,(1),只有切应力分量,，正应力分量全为零，这表明螺型位错不引发晶体膨胀和收缩。,(2)螺型位错所产生切应力分量只与r相关（成反比），且,螺型位错应力场是轴对称,，并伴随与位错距离增大，应力值减小。,(3)这里当,r,0时，,z,，显然与实际情况不符，这说明上述结果不适用位错中心,严重畸变区(r=b)。,第2页,刃型位错,柱面坐标表示：,直角坐标表示：,式中，；G为切变模量；为泊松比；为b柏氏矢量。,第3页,刃型位错应力场特点：,(1),同时存在正应力分量与切应力分量,，,而且各应力分量大小与G和b成正比，与,r成反比，即伴随与位错距离增大，应力,绝对值减小。,(2)各应力分量都是，函数，而,与无关。这表明在平行于位错直线上，,任一点应力均相同。,(3)刃型位错应力场对称于多出半原,子面（y-z面），即对称于y轴。,(4)在滑移面（y0）上，没有正,应力，只有切应力，而且切应力xy 到达,极大值。,(5)y0时，xx0。,这说明,正刃型位错位错滑移面上侧为压应力，滑移面下侧为拉应力,。,(6)xy时，yy，xy均为零，说明在直角坐标两条对角线处，只有xx，而且,在每条对角线两侧，xy(yx)及yy符号相反。,(7)产生体积应变（体积膨胀率）。在滑移面以上0，在滑移面以下0。,(8)同螺型位错一样，上述公式不能用于刃型位错中心区。,第4页,位错应变能,位错周围点阵畸变引发弹性应力场造成晶体能量增加，这部分能量称为位错,应变能。,位错能量可分为两部分：位错中心畸变能和位错应力场引发弹性应变能。,螺型,位错应变能（单位长度）：,刃型,位错应变能（单位长度）：,混合,位错应变能（单位长度）：,单位长度位错总应变能可简化为：,第二节 位错应变能与线张力,第5页,总结：,位错能量包含两部分：位错中心畸变能和位错应力场引发弹性应变能。,位错中心区能量普通小于总能量110，可忽略。,位错应变能与b,2,成正比。所以，从能量观点来看，晶体中含有最小,b,位错应该是最稳定，而,b,大位错有可能分解为,b,小位错，以降低系统能量。,由此也可了解为,滑移方向总是沿着原子密排方向。,螺位错弹性应变能约为刃位错2/3。位错能量是以单位长度能量来定义，故位错能量还与位错线形,状相关。因为两点间以直线为最短，所以直线位错应变能小于弯曲位错，即,更稳定，所以，,位错线有尽可能变直和缩短其长度趋势。,位错存在均会使体系内能升高，即使位错存在也会引发晶体中熵值,增加，但相对来说，熵值增加有限。能够忽略不计。所以，位错存在使晶体,处于高能不稳定状态，可见,位错是热力学上不稳定晶体缺点。,第6页,位错线张力位错线每增加单位长度所增加能量,上式是假定刃型、螺型和混合位错单位长度能量都相等得到。因为刃型位错,能量比螺型位错大，所以线张力也大。所以可知：,直刃型位错弯曲后，增加了螺型位错分量，即使位错线长度增加了，但单位,位错线能量却降低。,直螺型位错弯曲后，增加了刃型位错分量，单位位错线能量要增加，所以螺,型位错比刃型位错难弯曲。,上述结论对分析位错绕过机制非常主要,。,第7页,实际晶体中往往有许多位错同时存在。任一位错在其相邻位错应力场作用下都会受到作,用力，此交互作用力随位错类型、柏氏矢量大小、位错线相对位向改变而改变。,Peach-Koehler公式,在外应力作用下，单位长度位错线上所受力（方向恒与位错线垂直）：,平行螺位错间作用力,所以，两平行螺型位错间作用力，其大小与两位错强度乘积成正比，而与两位错间,距成反比，其方向则沿径向r垂直于所作用位错线，,当b,l,与b,2,同向时，F,r,0，即两同号平,行螺型位错相互排斥；而当b,l,与b,2,反向时，F,r,0，即两异号平行螺型位错相互吸引。,第三节 位错间作用力,第8页,平行刃位错间作用力,平行刃位错间相互作用稳定位置,第9页,两个肖克莱(Shockley)位错间作用力,肖克莱(Shockley)位错柏氏矢量平行于滑移面半位错，比如面心立方晶体中柏,氏矢量为 半位错,两个肖克莱(Shockley)位错间作用力,两个肖克莱位错间作用力为斥力，使两个肖克莱位错分开，分开距离r与层错能,（）表面张力相关，到达平衡时：,第10页,第四节 位错攀移,攀移位错垂直于滑移面运动。刃位错才能攀移；攀移引发晶体体积改变。,攀移力,单位长度位错攀移时所需要力,产生攀移力：外加正应力；过饱和空位产生力渗透力(化学力),0。,渗透力,0,在位错应力场作用下，过饱和空位将凝聚在位错上，相当于有一个力促使位错向上攀移。,第11页,攀移在变形中作用,金属在高温下将发生蠕变，蠕变速率决定于位错攀移速率。,蠕变时攀移主要作用是帮助位错克服滑移障碍，即变形主要由位错滑移来完成，滑,移量大小由位错攀移控制。,位错攀移促使滑移机理：,当位错塞积在某种不动障碍前面时，领先位错,可经过攀移运动避开障碍，是后续位错可继续运动；,在平行滑移面上异号位错组成位错多极子，可,以经过攀移，使位错消毁，从而降低了位错密度，减,少了对位错源反作用力。使新位错环又能产生。,当位错碰到第二相，产生Orowan围绕过使，形,成位错环可在螺位错交滑移和刃位错攀移共同作,用下，最终崩坍。位错源又可放出新位错，使变形继,续下去。,第12页,第五节 割阶生成及其运动,割阶,位错交截后，产生,不在滑移面上一段折线,，大小等于相交位错柏氏矢量模，,方向平行于相交位错柏氏矢量。,弯折（弯结）,位错交截后，产生在,滑移面上一段折线,。,割阶生成：,位错攀移；位错交截。,位错交截生成割阶,刃型位错与螺位错交截,EF位错上折线pp割阶。,割阶pp,可随EF位错运动，,割阶pp运动平面是图中阴影,线画平面，,割阶pp,对刃型位,错运动阻力小,。,螺位错与螺位错交截,IJ位错上折线pp割阶。,割阶pp,随IJ位错运动时，,只能攀移，结果在割阶后面,留下一串空位或间隙原子。前,者称空位割阶，后者称间隙割,阶。,割阶对螺位错运动阻力,大。,第13页,螺位错上割阶,种类按割阶高度分为三类,小型割阶,高度为几个原子面间距。,中等割阶,高度为几个几十个原子面间距。,超割阶,高度为几十纳米。,第14页,小割阶,随螺位错运动后留下一串空位或间隙原子。,螺位错上割阶运动：,外力较小时，割阶对位错起钉扎作用，各段位,错在自己滑移面上滑移并弯曲成弧形。,外力到达某一临界值时，位错才能带动割阶运动。,临界应力,c,:,第15页,中等割阶 螺位错运动时会形成位错偶,中等割阶形成位错偶机制螺位错双交滑移机制；,形成位错偶作用力和中等割阶极限高度：,超割阶割阶对螺位错运动已无阻力。割阶两端位错在两个平行滑移面上独立运,动，形成单边位错源。,第16页,第六节 弯结形成及其运动,弯结形成,派-纳能垒,W,P-N,位错处于下列图三个位置上，它们由,位错应力场引发,弹性应变能是相同，但,位错中心畸变能不一样。可知，a和c位置是位错稳定平衡位置，能量最低，而b位置显然是不稳定、能量较高位置。所以，,一个位错在滑移面上运动时必须越过一个能量最大位置（能垒）才能抵达下一个低能平衡位置。这个能垒称为派-纳能垒。,派-纳力（）,P-N,位错越过,派-纳能垒,能垒需要克服点阵阻力。,第17页,派-纳力（）,P-N,位错越过,派-纳能垒,能垒需要克服点阵阻力。,由,派-纳力公式可知:,派-纳模型成功说明了切变强度比理论切变强度低.并正确预测了实际切变强度数量级.,柏氏矢量b值越小，滑移面面间距a越大，派-纳力（）,P-N,就越小密排面是易,滑面，其上密排方向是易滑移方向,第18页,弯结形成可经过热激活和位错交截形成,在时，位错线躺在派-纳能谷中（图中实线）。温度升高，因为热激活作用，部,分位错段能越过势能峰（图中虚线）抵达邻近势能谷中。在一根位错线上就形成了弯结。,图中，单弯结；弯结宽度；双单弯结,讨论：滑移是经过弯阶迁移实现。弯结形成外因：取决于温度和应力；内因：取决于位错能量和线张力平衡。fcc和hcp金属派-纳能垒很低，易形成弯结，屈服强度对温度敏感性不大；bcc金属派-纳能垒较高，屈服强度对温度敏感性大,弯结运动弯结侧向运动，位错垂直于本身方向运动，当弯结运动到位错线一端，位错线就运动了一个晶面间距。位错运动速度等于弯结数目、弯结运动速度和派-纳能谷间距（约为b）乘积。,第19页,第3章 实际晶体中位错,主要内容,面心立方金属中位错,肖克莱位错,梯杆位错,弗兰克位错,密排六方金属中位错,体心立方金属中位错,第20页,第一节 面心立方金属中位错,面心立方金属中层错,面心立方金属面正常堆垛次序为：ABCABCABC,层错产生方式:,某层B由正常位置滑移到下一层C位置，随即各层随B层一起滑动一样距离，即，,BC，CA，A B,ABCAB,CACA,BCABC,从正常堆垛原子层中，抽出一层，如A、C两层中间抽去B层。,ABCAB,CA,CA,BCABC,上述两种情况都在正常排列次序中出现了,CAC,、,ACA,排列方式，即出现了以C（或A）层为对称面单原子层厚孪晶结构C,A,C或A,C,A。实际上出现了两个三层一组密排六方结构薄层。,从正常堆垛原子层中，插入一层，如AB两层中间插入一层C。,ABCAB,C,ACBC,A,BCAB,在正常排列次序中出现了,CAC、CBC,排列方式，即出现了以A（或B）层为对称面两原子层厚孪晶结构,BC,A,CB或AC,B,CA,。实际上出现了两个三层一组密排六方结构薄层。,*,实际晶体中层错产生过程：滑移；饱和空位崩坍形成空位环或间隙原子沉淀形成间隙环。,第21页,肖克莱位错,肖克莱位错产生,111面上下两部分沿112方向滑动a6 112,形成已滑移区与未滑移区交界处。,肖克莱位错特征,柏氏矢量：。不全位错。,能够是刃型位错、螺型位错和混合位错；能够是曲线或直线。,能够在111上滑移；它螺型位错不能交滑移，刃型位错不能攀移。,扩展位错 1个全位错分解为2个肖克莱位错并中间夹者1个层错带这一整体,扩展位错形成,宽度层错d,两个肖克莱位错间斥力等于层错表面张力（层错能）,时，两个位错间平衡距离就是宽度层错d,第22页,扩展位错交滑移,经过束集过程交滑移,束集扩展位错收缩成全位错现象。,交滑移过程：在外力作用下，扩展位错首先在,局部束集成一小段全位错，然后它交滑移到另一滑移,面上。在重新在这个滑移面上分解成扩展位错。伴随,在两个滑移面交线上个结点沿交线向外延伸，可,完成整根位错交滑移。,经过位错反应交滑移,扩展位错束集和领先部分位错分解都需要额外能量。所以扩展位错交滑移需要外力或热激活帮助。所以,面心立方中位错交滑移难易程度与应力、温度和层错能相关。,第23页,汤姆逊四面体,汤姆逊四面体把面心立方晶体中主要位错柏氏矢量及其反应都表现出来了。应用它可简明地反应,出各种位错反应。比如位错反应,第24页,梯杆位错（面角位错或Lomer-Cottrell位错，简称位错）,第25页,弗兰克位错,柏氏矢量为a/3不全位错,弗兰克位错产生,负弗兰克位错过饱和空位凝聚在密排面上成空位环后，崩坍产生层错（好象抽出一层密排面一部分），完整晶体与层错交界处，即是负弗兰克位错（图a)。,正弗兰克位错过饱和间隙原子沉淀在密排面上，形成间隙环（好象插入一层密排面一部分，形成层错），完整晶体与层错交界处，即是正弗兰克位错（图b)。,第26页,弗兰克位错与肖克莱位错比较,肖克莱位错是经过滑移形成，弗兰克位错是抽去或插入部分）面形成；,肖克莱位错和弗兰克位错各自相连系层错结构相同都是含有,一层厚孪晶结构,正弗兰克位错相连系层错是含有,两层厚孪晶结构,；,肖克莱位错柏氏矢量为a/6，在层错所在面上，能够是刃、螺和混合位错。弗兰克位错柏氏矢量为a/，与层错所在面垂直，对于在面上位错环，只能是刃型位错一个。,肖克莱位错能够在滑移面上滑移，但不能攀移，所以它属于可动位错。弗兰克位错不能滑移，只能攀移，攀移要经过扩散才能进行，攀移比滑移困难，所以弗兰克位错属于不动位错。,棱柱位错,层错能高面心立方金属(比如铝,=135mJ/m,2,)中,弗兰克位错环是不稳定。弗兰克位错与肖克莱位错结合成一可滑动全位错，使层错消失。比如：,第27页,层错四面体,层错四面体,层错位于面组成四面体四个面上，而且有六个,方向四面体棱，如图d)所表示。在四面体中层错从一个面弯曲到另一个面,上，这些层错就组成了面角位错。在Ag、Au、Cu、Ni-Co合金和奥氏体不锈钢中都观察到了这种,缺点。,层错四面体形成过程经过弗兰克位错环分解而成。,层错四面体稳定性,位错弹性能改变：,最终形成6个梯杆位错()弹性能：,最初三角形弗兰克位错()弹性能正比于：,位错分解造成能量减低。注意:同时形成了个层错区，所以层错四面体稳定性取决于层错区面积，,即层错能限制了层错四面体尺寸层错四面体边长临界值约nm.,第28页,第二节 密排六方金属中位错,密排六方金属中层错,密排六方金属面正常堆垛次序为：ABABABAB,层错类型：,单一层错（图a）BAB,ABC,BCBCB,双重层错（图b，c）BA,BACB,CBCBC,三重层错（图d）BAB,ABCAB,ABA,双锥形四面体,密排六方金属中位错及其反应可用双锥四面体,中符号表示。,第29页,密排六方金属中主要位错类型及其符号：,第30页,密排六方金属中不全位错,肖克莱位错和它们之间层错,小结：,肖克莱位错能够是刃型、螺型、混合型位错。在滑移面上可成为一个封闭曲线。,肖克莱位错只能滑移，不能攀移。,两个肖克莱位错位错间层错宽度反比于层错能。层错能低金属轻易形成这种结构，比如Co(,=25mJ/m,2,),第31页,弗兰克位错和它们之间层错,过饱和空位凝聚在密排面上成空位环后，崩坍产生,层错（好象抽出一层密排面一部分），完整晶体与层,错交界处，即是柏氏矢量为,S,型,弗兰克位错（图a)。,层错区两个结构类似原子层（B和B）相接触，破坏了近,邻关系，能量非常高。,假如在是柏氏矢量为,S,弗兰克位错环中扫过一,个柏氏矢量为A,肖克莱位错，即发生以下位错反应：,S,和,A,S,位错不能在基面上滑移，是不动位错，只能攀移。,假如反应形成层错能量仍很高，反应就不易进行，维错环就以,S,弗兰克位错,形式存在。,第32页,第三节 体心方金属中位错,基本情况,滑移面不确定：110、112、123；滑移方向：111；最短点阵矢量：a/2 111,易发生交滑移，滑移线为波纹状，说明层错能高(通常为2001000尔格/cm,2,)，不易出现不全位错。,位错在一个方向运动所需切应力与其反方向运动所需不一样。这与全位错不对称分解相关。,因为层错能很高，全位错分解为不全位错不能扩张很大距离(约为2b)。,一、,Bcc金属中层错与共面扩展位错,112面层错及其共面扩展位错,112面层错,112堆垛次序是6层一个周期：,abcdefabcdef,各层在空间排列如图所表示。各面面间距为,a/6112,第一类层错,某层112面以上个词各层相对滑动a/611-1，则各层位置变为：,a b c d e f a b c d e f a b,a b c d e f,e f,a b c d e f,错排相当多插入了两层原子。,第二类层错,某层112面以上个词各层相对滑动a/6-1-11，则各层位置变为：,a b c d e f a b c d e f a b,a b c d e f,c d e f,a b c d,错排相当多插入了四层原子。可知，第二类层错能高，产生畸变较大。,第33页,共面扩展位错,第34页,110面层错及其共面扩展位错,110面层错,110堆垛次序是2层一个周期：,ABABABAB。下列图中实线球为a层原子，虚线球表示b层原子a层相对于下层沿方向滑移，则a原子落入位置a，b原子落入b位置形成层错：abababab,如a层相对于下层沿反方向滑移，则a原子落入位置a，b原子落入b位置形成层错：abababab,这些层错称为第三类层错。,第35页,共面扩展位错,第36页,二、Bcc金属中非共面扩展位错,Bcc晶体滑移特点：,不服从Schmid定律。当Schmid因子最大时，临界分切应力不是,最大，而且也不是常数；同晶向上拉伸和压缩临界切应力不相等变形非对,称性。,112面上非共面扩展位错,第37页,11面上非共面扩展位错,第38页,bcc金属低温脆性与螺位错在和非共面分解相关，螺位错极难交滑移从而造成低温脆性,在室温下，螺位错可由交滑移到，滑移方向为，,所以滑移线为波纹状,第39页,三、bcc金属中001面上位错（,杨觉先书页，图）,第40页,三、bcc晶体孪晶位错机制,bcc晶体孪晶,堆垛次序为：,abcdefabcdef,如从以上各层均相对滑移，,则堆垛次序变为：,abcdef,a,fedcba,bcc晶体孪晶形成位错机制极轴位,错机制,第41页,第四节 有序超结构中位错,有序超结构中位错运动以位错正确形式运动,如单个位错在滑移面上运动，将破坏原子有序分布，产生一些同类原子结合界面称为,反向畴界（Anti Phase Boundary,简称,）可知，单个位错在滑移面上运动阻力大所以，以位错正确形式运动邻先位错运动破坏了,有序后，后面位错可恢复先前有序态,形成两个同号位错中间夹以称为超位错,第42页,面心立方有序超结构中位错组态,超位错由两个组成，每个又可分解为两个,肖克莱位错，中间夹以层错,第43页,