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第三章晶體缺陷 六 實際晶體結構中的位錯 1 面心立方晶體中的典型位錯 柏氏矢量 位錯類型 位錯線形狀 可能運動方式 2 4 位錯反應 dislocationreaction 4 位錯反應 實際晶體中 組態(tài)不穩(wěn)定的位錯可以轉化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯 具有不同b的位錯線可以合并為一條位錯線 反之 一條位錯線也可以分解為兩條或多條具有不同b的位錯線 位錯反應 位錯之間相互轉換 即柏氏矢量的合成與分解 3 4 位錯反應 位錯反應能否進行取決于兩個條件 幾何條件 反應前的柏氏矢量和等于反應后的柏氏矢量和 能量條件 反應后諸位錯的總能量小于反應前諸位錯的總能量 這是熱力學定律所要求的 注意 b的方向與規(guī)定的 的正向有關 所以位錯反應中 一般規(guī)定反應前位錯線指向節(jié)點 反應后離開節(jié)點 4 一個位錯分解成兩個或多個具有柏氏矢量的位錯 面心立方晶體中一個全位錯分解成兩個肖克萊不全位錯 兩個或多個具有不同柏氏矢量的不全位錯合并成一個全位錯 一個肖克萊不全位錯和一個弗蘭克不全位錯合并成一個全位錯 兩個全位錯合并成另一全位錯 兩個位錯合并重新組合成另兩個位錯 如體心立方中 4 位錯反應 5 上例中 結構條件 滿足 能量條件 滿足 反應能進行 4 位錯反應 6 例 fcc中 柏氏矢量為的位錯能否分解成單位位錯 結構條件 滿足 能量條件 滿足 4 位錯反應 7 5 面心立方晶體中的位錯 Thompson四面體 可以幫助確定fcc結構中的位錯反應 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 1 湯普森四面體 10 用于表示fcc晶體中的位錯反應 Thompson四面體在fcc晶胞中的位置 D點在坐標原點 其余頂點的坐標分別為 A 1 2 0 1 2 B 0 1 2 1 2 C 1 2 1 2 0 四面體4個外表面 等邊三角形 的中心分別用 表示 并分別對應A B C D四個頂點所對的面 這樣A B C D 等8個點中的每2個點連成的向量就表示了fcc晶體中所有重要位錯的柏氏矢量 1 湯普森四面體 11 1 湯普森四面體 12 由四面體頂點A B C D 羅馬字母 連成的向量 羅 羅向量就是fcc中全位錯的12個可能的柏氏矢量 1 湯普森四面體 1 羅 羅向量 13 由四面體頂點 羅馬字母 和通過該頂點的外表面中心 不對應的希臘字母 連成的向量 這些向量可以由三角形重心性質求得 不對應的羅 希向量是fcc中24個Shockley不全位錯的柏氏矢量 2 不對應的羅 希向量 14 4個頂點到它所對的三角形中點的連線代表8個1 3 111 型的滑移矢量 根據矢量合成規(guī)則可以求出對應的羅 希向量 對應的羅 希向量就是fcc中8個Frank不全錯的柏氏矢量 3 對應的羅 希向量 15 所有希 希向量也都可以根據向量合成規(guī)則求得 同理可得 希 希向量就是fcc中壓桿位錯的柏氏矢量 4 希 希向量 16 2 擴展位錯 17 面心立方中擴展位錯的進一步解釋 正常堆垛ABCABC B位置到C位置 ABCACB 層錯 18 2 擴展位錯 由一個全位錯分解為兩個不全位錯 中間夾著一個堆垛層錯的整個位錯組態(tài) 面心立方晶體中 能量最低的全位錯是處在 111 面上的柏氏矢量為的單位位錯 現考慮它沿 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A層原子位置的低谷位置 a 全位錯的滑移 若單位位錯在切應力作用下沿著 111 在A層原子面上滑移時 則B層原子從B1位置滑動到相鄰的B2位置 點陣排列沒有變化 不存在層錯現象 但需要越過A層原子的 高峰 這需要提供較高的能量 面心立方晶體中 能量最低的全位錯是處在 111 面上的柏氏矢量為的單位位錯 現考慮它沿 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B2位置 即 這種滑移比較容易 b 及分位錯的滑移及其間的層錯 而第二步從C位置再移到B位置時 則又恢復正常堆垛順序 20 每一步滑移造成了層錯 因此 層錯區(qū)與正常區(qū)之間必然會形成兩個不全位錯 故和為肖克萊不全位錯 也就是說 一個全位錯分解為兩個肖克萊不全位錯和 全位錯的運動由兩個不全位錯的運動來完成 即 這個位錯反應從幾何條件和能量條件判斷均是可行的 因為 幾何條件 能量條件 21 2 擴展位錯 分解后的這兩個不全位錯位于同一滑移面上 其柏氏矢量夾角是60 它們是互相排斥的 有分開的趨勢 在兩個不全位錯之間夾了一片層錯區(qū) 通常我們將這種兩個不全位錯夾一個層錯區(qū)的組態(tài)稱之為擴展位錯 22 B B B B B B C C A C C A b1 b2 b3 C b1 b2 b3 SF 2 擴展位錯 23 1 擴展位錯的寬度 為了降低兩個不全位錯間的層錯能 力求把兩個不全位錯的間距縮小 則相當于給予兩個不全位錯一個吸力 數值等于層錯的表面張力 即單位面積層錯能 兩個不全位錯間的斥力則力圖增加寬度 當斥力與吸力相平衡時 不全位錯之間的距離一定 這個平衡距離便是擴展位錯的寬度d 面心立方晶體中的擴展位錯 24 當f與層錯能 相等時 處于平衡 擴展位錯的寬度 層錯能 擴展寬度d 相反則 兩個平行不全位錯之間的斥力 1 擴展位錯的寬度 25 純螺位錯在面上分解 運動過程中 若前方受阻 兩個偏位錯束集成全位錯 當雜質原子或其它因素使層錯面上某些地區(qū)的能量提高時 該地區(qū)的擴展位錯就會變窄 甚至收縮成一個結點 又變成原來的全位錯 這個現象稱為位錯的束集 束集可以看作位錯擴展的反過程 2 擴展位錯的束集 26 在外力作用下 擴展位錯收縮成原來的全位錯的過程稱為束集 2 擴展位錯的束集 27 由于擴展位錯只能在其所在的滑移面上運動 若要進行交滑移 擴展位錯必須首先束集成全螺位錯 然后交滑移到面上 重新分解成新的擴展位錯 繼續(xù)運動 總結 在實際晶體中 由于擴展位錯的形成 螺位錯的交滑移比全位錯的交滑移要困難得多 必須經束集后才能進行 晶體層錯能越低 擴展位錯的寬度越大 束集越困難 不易交滑移 因此晶體的變形抗力越大 3 擴展位錯的交滑移 28 擴展位錯的交滑移過程 29 30 3 位錯網絡Dislocationnetwork 實際晶體中存在幾個b位錯時會組成二維或三維的位錯網絡 31 面上有擴展位錯 在相交滑移面上兩個擴展位錯的領先位錯相遇而成 即 a BDC面上 即 d ABC面上 4 面角位錯 L C位錯 壓桿位錯 32 反應過程 滑移面 Lomer Cottrell位錯 面角位錯 4 面角位錯 L C位錯 壓桿位錯 33 該擴展位錯在各自的滑移面上相向移動 當擴展位錯中的一個不全位錯到達交線BC時 發(fā)生位錯反應 B B 新位錯1 6 110 的柏氏矢量在 001 面上 滑移面是 001 因此是固定的純刃型位錯 另外 它還帶著兩片分別位于 111 和 11 1 面上的層錯以及兩個不全位錯 在兩個 111 面的面角上 這種由于三個不全位錯和兩片層錯構成的位錯組態(tài)稱為Lomer Cottrell位錯 另外 它還帶著兩片分別位于 111 和面上的層錯以及兩個不全位錯 在兩個 111 面的面角上 這種由于三個不全位錯和兩片層錯構成的位錯組態(tài)稱為Lomer Cottrell位錯 34 面心立方結構中 在和面上有兩個全位錯b1和b2 4 面角位錯 L C位錯 壓桿位錯 35 兩個全位錯b1和b2發(fā)生分解 形成擴展位錯 4 面角位錯 L C位錯 壓桿位錯 36 在外力作用下 兩個擴展位錯向兩個滑移面的交線處滑移 兩個領先不全位錯b12和b21在交線 110 處相遇 發(fā)生合成反應 面角位錯 反應生成兩面一夾角組態(tài)的面角位錯 4 面角位錯 L C位錯 壓桿位錯 37 例題一 若面心立方晶體中有的單位位錯及的不全位錯 此二位錯相遇后發(fā)生位錯反應 問 1 此位錯反應能否進行 為什么 2 寫出合成位錯的柏氏矢量 并說明合成位錯的性質 38 39 例題二 試分析在FCC中 下列位錯反應能否進行 并指出其中三個位錯的性質類型 反應后生成的新位錯能否在滑移面上運動 40 41 在A1的單晶體中 若 111 面上有一位錯與面上的位錯發(fā)生反應時 1 寫出上述位錯反應方程式 并用能量條件判明位錯反應進行的方向 2 說明新位錯的性質 例題三 42 解 1 位錯反應可以向右進行 2 新位錯為面心立方點陣的單位位錯 其位錯線為 111 與兩個晶面的交線 新位錯為刃型位錯 其滑移面為 001 對于面心立方點陣 這新位錯為固定位錯 43 1 bcc滑移面有 111 112 113 單位位錯b a 2 111 bcc中易發(fā)生交滑移 沒有擴展位錯 沒有位錯分解 2 hcp全位錯 3 關于離子晶體的位錯 共價晶體中的位錯 高分子晶體中的位錯請參考教材及有關資料 6 其他晶體中的位錯 44 45 46 47 48 練習四 49 50