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第三章晶體缺陷 六 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò) 1 面心立方晶體中的典型位錯(cuò) 柏氏矢量 位錯(cuò)類(lèi)型 位錯(cuò)線形狀 可能運(yùn)動(dòng)方式 2 4 位錯(cuò)反應(yīng) dislocationreaction 4 位錯(cuò)反應(yīng) 實(shí)際晶體中 組態(tài)不穩(wěn)定的位錯(cuò)可以轉(zhuǎn)化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯(cuò) 具有不同b的位錯(cuò)線可以合并為一條位錯(cuò)線 反之 一條位錯(cuò)線也可以分解為兩條或多條具有不同b的位錯(cuò)線 位錯(cuò)反應(yīng) 位錯(cuò)之間相互轉(zhuǎn)換 即柏氏矢量的合成與分解 3 4 位錯(cuò)反應(yīng) 位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于兩個(gè)條件 幾何條件 反應(yīng)前的柏氏矢量和等于反應(yīng)后的柏氏矢量和 能量條件 反應(yīng)后諸位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量 這是熱力學(xué)定律所要求的 注意 b的方向與規(guī)定的 的正向有關(guān) 所以位錯(cuò)反應(yīng)中 一般規(guī)定反應(yīng)前位錯(cuò)線指向節(jié)點(diǎn) 反應(yīng)后離開(kāi)節(jié)點(diǎn) 4 一個(gè)位錯(cuò)分解成兩個(gè)或多個(gè)具有柏氏矢量的位錯(cuò) 面心立方晶體中一個(gè)全位錯(cuò)分解成兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò) 兩個(gè)或多個(gè)具有不同柏氏矢量的不全位錯(cuò)合并成一個(gè)全位錯(cuò) 一個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)和一個(gè)弗蘭克不全位錯(cuò)合并成一個(gè)全位錯(cuò) 兩個(gè)全位錯(cuò)合并成另一全位錯(cuò) 兩個(gè)位錯(cuò)合并重新組合成另兩個(gè)位錯(cuò) 如體心立方中 4 位錯(cuò)反應(yīng) 5 上例中 結(jié)構(gòu)條件 滿(mǎn)足 能量條件 滿(mǎn)足 反應(yīng)能進(jìn)行 4 位錯(cuò)反應(yīng) 6 例 fcc中 柏氏矢量為的位錯(cuò)能否分解成單位位錯(cuò) 結(jié)構(gòu)條件 滿(mǎn)足 能量條件 滿(mǎn)足 4 位錯(cuò)反應(yīng) 7 5 面心立方晶體中的位錯(cuò) Thompson四面體 可以幫助確定fcc結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)反應(yīng) 1 湯普森四面體 8 1 湯普森四面體 b 四面體外表面中心位置 9 c 湯普森四面體的展開(kāi) 1 湯普森四面體 10 用于表示fcc晶體中的位錯(cuò)反應(yīng) Thompson四面體在fcc晶胞中的位置 D點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn) 其余頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 A 1 2 0 1 2 B 0 1 2 1 2 C 1 2 1 2 0 四面體4個(gè)外表面 等邊三角形 的中心分別用 表示 并分別對(duì)應(yīng)A B C D四個(gè)頂點(diǎn)所對(duì)的面 這樣A B C D 等8個(gè)點(diǎn)中的每2個(gè)點(diǎn)連成的向量就表示了fcc晶體中所有重要位錯(cuò)的柏氏矢量 1 湯普森四面體 11 1 湯普森四面體 12 由四面體頂點(diǎn)A B C D 羅馬字母 連成的向量 羅 羅向量就是fcc中全位錯(cuò)的12個(gè)可能的柏氏矢量 1 湯普森四面體 1 羅 羅向量 13 由四面體頂點(diǎn) 羅馬字母 和通過(guò)該頂點(diǎn)的外表面中心 不對(duì)應(yīng)的希臘字母 連成的向量 這些向量可以由三角形重心性質(zhì)求得 不對(duì)應(yīng)的羅 希向量是fcc中24個(gè)Shockley不全位錯(cuò)的柏氏矢量 2 不對(duì)應(yīng)的羅 希向量 14 4個(gè)頂點(diǎn)到它所對(duì)的三角形中點(diǎn)的連線代表8個(gè)1 3 111 型的滑移矢量 根據(jù)矢量合成規(guī)則可以求出對(duì)應(yīng)的羅 希向量 對(duì)應(yīng)的羅 希向量就是fcc中8個(gè)Frank不全錯(cuò)的柏氏矢量 3 對(duì)應(yīng)的羅 希向量 15 所有希 希向量也都可以根據(jù)向量合成規(guī)則求得 同理可得 希 希向量就是fcc中壓桿位錯(cuò)的柏氏矢量 4 希 希向量 16 2 擴(kuò)展位錯(cuò) 17 面心立方中擴(kuò)展位錯(cuò)的進(jìn)一步解釋 正常堆垛ABCABC B位置到C位置 ABCACB 層錯(cuò) 18 2 擴(kuò)展位錯(cuò) 由一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò) 中間夾著一個(gè)堆垛層錯(cuò)的整個(gè)位錯(cuò)組態(tài) 面心立方晶體中 能量最低的全位錯(cuò)是處在 111 面上的柏氏矢量為的單位位錯(cuò) 現(xiàn)考慮它沿 111 面的滑移情況 如圖 111 面上的圓球位置為A層位置 B層和C層的原子分別處于三個(gè)A層原子位置的低谷位置 a 全位錯(cuò)的滑移 若單位位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿著 111 在A層原子面上滑移時(shí) 則B層原子從B1位置滑動(dòng)到相鄰的B2位置 點(diǎn)陣排列沒(méi)有變化 不存在層錯(cuò)現(xiàn)象 但需要越過(guò)A層原子的 高峰 這需要提供較高的能量 面心立方晶體中 能量最低的全位錯(cuò)是處在 111 面上的柏氏矢量為的單位位錯(cuò) 現(xiàn)考慮它沿 111 面的滑移情況 19 但如果滑移分兩步完成 即先從B1位置沿A原子間的 低谷 滑移到鄰近的C位置 即 然后再由C滑移到另一個(gè)B2位置 即 這種滑移比較容易 b 及分位錯(cuò)的滑移及其間的層錯(cuò) 而第二步從C位置再移到B位置時(shí) 則又恢復(fù)正常堆垛順序 20 每一步滑移造成了層錯(cuò) 因此 層錯(cuò)區(qū)與正常區(qū)之間必然會(huì)形成兩個(gè)不全位錯(cuò) 故和為肖克萊不全位錯(cuò) 也就是說(shuō) 一個(gè)全位錯(cuò)分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)和 全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成 即 這個(gè)位錯(cuò)反應(yīng)從幾何條件和能量條件判斷均是可行的 因?yàn)?幾何條件 能量條件 21 2 擴(kuò)展位錯(cuò) 分解后的這兩個(gè)不全位錯(cuò)位于同一滑移面上 其柏氏矢量夾角是60 它們是互相排斥的 有分開(kāi)的趨勢(shì) 在兩個(gè)不全位錯(cuò)之間夾了一片層錯(cuò)區(qū) 通常我們將這種兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一個(gè)層錯(cuò)區(qū)的組態(tài)稱(chēng)之為擴(kuò)展位錯(cuò) 22 B B B B B B C C A C C A b1 b2 b3 C b1 b2 b3 SF 2 擴(kuò)展位錯(cuò) 23 1 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度 為了降低兩個(gè)不全位錯(cuò)間的層錯(cuò)能 力求把兩個(gè)不全位錯(cuò)的間距縮小 則相當(dāng)于給予兩個(gè)不全位錯(cuò)一個(gè)吸力 數(shù)值等于層錯(cuò)的表面張力 即單位面積層錯(cuò)能 兩個(gè)不全位錯(cuò)間的斥力則力圖增加寬度 當(dāng)斥力與吸力相平衡時(shí) 不全位錯(cuò)之間的距離一定 這個(gè)平衡距離便是擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度d 面心立方晶體中的擴(kuò)展位錯(cuò) 24 當(dāng)f與層錯(cuò)能 相等時(shí) 處于平衡 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度 層錯(cuò)能 擴(kuò)展寬度d 相反則 兩個(gè)平行不全位錯(cuò)之間的斥力 1 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度 25 純螺位錯(cuò)在面上分解 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 若前方受阻 兩個(gè)偏位錯(cuò)束集成全位錯(cuò) 當(dāng)雜質(zhì)原子或其它因素使層錯(cuò)面上某些地區(qū)的能量提高時(shí) 該地區(qū)的擴(kuò)展位錯(cuò)就會(huì)變窄 甚至收縮成一個(gè)結(jié)點(diǎn) 又變成原來(lái)的全位錯(cuò) 這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為位錯(cuò)的束集 束集可以看作位錯(cuò)擴(kuò)展的反過(guò)程 2 擴(kuò)展位錯(cuò)的束集 26 在外力作用下 擴(kuò)展位錯(cuò)收縮成原來(lái)的全位錯(cuò)的過(guò)程稱(chēng)為束集 2 擴(kuò)展位錯(cuò)的束集 27 由于擴(kuò)展位錯(cuò)只能在其所在的滑移面上運(yùn)動(dòng) 若要進(jìn)行交滑移 擴(kuò)展位錯(cuò)必須首先束集成全螺位錯(cuò) 然后交滑移到面上 重新分解成新的擴(kuò)展位錯(cuò) 繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 總結(jié) 在實(shí)際晶體中 由于擴(kuò)展位錯(cuò)的形成 螺位錯(cuò)的交滑移比全位錯(cuò)的交滑移要困難得多 必須經(jīng)束集后才能進(jìn)行 晶體層錯(cuò)能越低 擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度越大 束集越困難 不易交滑移 因此晶體的變形抗力越大 3 擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移 28 擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移過(guò)程 29 30 3 位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)Dislocationnetwork 實(shí)際晶體中存在幾個(gè)b位錯(cuò)時(shí)會(huì)組成二維或三維的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò) 31 面上有擴(kuò)展位錯(cuò) 在相交滑移面上兩個(gè)擴(kuò)展位錯(cuò)的領(lǐng)先位錯(cuò)相遇而成 即 a BDC面上 即 d ABC面上 4 面角位錯(cuò) L C位錯(cuò) 壓桿位錯(cuò) 32 反應(yīng)過(guò)程 滑移面 Lomer Cottrell位錯(cuò) 面角位錯(cuò) 4 面角位錯(cuò) L C位錯(cuò) 壓桿位錯(cuò) 33 該擴(kuò)展位錯(cuò)在各自的滑移面上相向移動(dòng) 當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)中的一個(gè)不全位錯(cuò)到達(dá)交線BC時(shí) 發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng) B B 新位錯(cuò)1 6 110 的柏氏矢量在 001 面上 滑移面是 001 因此是固定的純?nèi)行臀诲e(cuò) 另外 它還帶著兩片分別位于 111 和 11 1 面上的層錯(cuò)以及兩個(gè)不全位錯(cuò) 在兩個(gè) 111 面的面角上 這種由于三個(gè)不全位錯(cuò)和兩片層錯(cuò)構(gòu)成的位錯(cuò)組態(tài)稱(chēng)為L(zhǎng)omer Cottrell位錯(cuò) 另外 它還帶著兩片分別位于 111 和面上的層錯(cuò)以及兩個(gè)不全位錯(cuò) 在兩個(gè) 111 面的面角上 這種由于三個(gè)不全位錯(cuò)和兩片層錯(cuò)構(gòu)成的位錯(cuò)組態(tài)稱(chēng)為L(zhǎng)omer Cottrell位錯(cuò) 34 面心立方結(jié)構(gòu)中 在和面上有兩個(gè)全位錯(cuò)b1和b2 4 面角位錯(cuò) L C位錯(cuò) 壓桿位錯(cuò) 35 兩個(gè)全位錯(cuò)b1和b2發(fā)生分解 形成擴(kuò)展位錯(cuò) 4 面角位錯(cuò) L C位錯(cuò) 壓桿位錯(cuò) 36 在外力作用下 兩個(gè)擴(kuò)展位錯(cuò)向兩個(gè)滑移面的交線處滑移 兩個(gè)領(lǐng)先不全位錯(cuò)b12和b21在交線 110 處相遇 發(fā)生合成反應(yīng) 面角位錯(cuò) 反應(yīng)生成兩面一夾角組態(tài)的面角位錯(cuò) 4 面角位錯(cuò) L C位錯(cuò) 壓桿位錯(cuò) 37 例題一 若面心立方晶體中有的單位位錯(cuò)及的不全位錯(cuò) 此二位錯(cuò)相遇后發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng) 問(wèn) 1 此位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行 為什么 2 寫(xiě)出合成位錯(cuò)的柏氏矢量 并說(shuō)明合成位錯(cuò)的性質(zhì) 38 39 例題二 試分析在FCC中 下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行 并指出其中三個(gè)位錯(cuò)的性質(zhì)類(lèi)型 反應(yīng)后生成的新位錯(cuò)能否在滑移面上運(yùn)動(dòng) 40 41 在A1的單晶體中 若 111 面上有一位錯(cuò)與面上的位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)時(shí) 1 寫(xiě)出上述位錯(cuò)反應(yīng)方程式 并用能量條件判明位錯(cuò)反應(yīng)進(jìn)行的方向 2 說(shuō)明新位錯(cuò)的性質(zhì) 例題三 42 解 1 位錯(cuò)反應(yīng)可以向右進(jìn)行 2 新位錯(cuò)為面心立方點(diǎn)陣的單位位錯(cuò) 其位錯(cuò)線為 111 與兩個(gè)晶面的交線 新位錯(cuò)為刃型位錯(cuò) 其滑移面為 001 對(duì)于面心立方點(diǎn)陣 這新位錯(cuò)為固定位錯(cuò) 43 1 bcc滑移面有 111 112 113 單位位錯(cuò)b a 2 111 bcc中易發(fā)生交滑移 沒(méi)有擴(kuò)展位錯(cuò) 沒(méi)有位錯(cuò)分解 2 hcp全位錯(cuò) 3 關(guān)于離子晶體的位錯(cuò) 共價(jià)晶體中的位錯(cuò) 高分子晶體中的位錯(cuò)請(qǐng)參考教材及有關(guān)資料 6 其他晶體中的位錯(cuò) 44 45 46 47 48 練習(xí)四 49 50