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1、材料加工金属学基础 4.1 222wvuC表表4.1 典型晶体结构中典型晶体结构中单位位错单位位错的柏氏矢量的柏氏矢量4.3 (Dislocation Reaction)kibb22kibb 4.4.1 堆垛层错堆垛层错(Stacking Fault)图图4.1 面心立方晶体中（面心立方晶体中（111）面的正常堆垛）面的正常堆垛 图图4.2 面心立方晶面心立方晶 体中的堆垛层错体中的堆垛层错（a）抽出型）抽出型（b）插入型）插入型 若将正常堆垛顺序变成若将正常堆垛顺序变成ABCBCA（即（即），其中箭头所指相当于抽出一层原子面），其中箭头所指相当于抽出一层原子面（A层），故称为层），故称为抽出
2、型层错抽出型层错，如图，如图4.2（a）所示。）所示。 若在正常堆垛顺序中插入一层原子面（若在正常堆垛顺序中插入一层原子面（B层），即层），即可表示为可表示为ABCBABC，相当于抽出，相当于抽出A、C两层，可表两层，可表示为示为ABCBABC（即（即），其中箭头），其中箭头所指的为插入所指的为插入B层后所引起的二层错排，称为层后所引起的二层错排，称为插入型层插入型层错错，如图，如图4.2（b）所示。）所示。两者对比可知两者对比可知, 形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使电子了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生发生反反
3、常的衍射效应，故使晶体的常的衍射效应，故使晶体的能量能量有所增加，这部有所增加，这部分分增加增加的能量称为的能量称为堆垛层错能堆垛层错能，用，用 表示。从能表示。从能量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能有关，有关，4.4.2 不全位错不全位错(Partial Dislocation)n 若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点阵矢量的不全位错。阵矢量的不全位错。 图图4
4、.4为肖克莱不全位错的为肖克莱不全位错的刃型结构刃型结构。 图图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错上半图是面心立方晶上半图是面心立方晶体的（体的（0 1）面，）面，。原子的。原子的连线看起来似乎是一连线看起来似乎是一个平面上的菱形，实个平面上的菱形，实际上是一前一后两个际上是一前一后两个平面上相邻原子的连平面上相邻原子的连线。线。1n下半图是把上半图中下半图是把上半图中A层层与与C层在（层在（111）面上作投）面上作投影。分层使用了不同的符影。分层使用了不同的符号，号，原子呈，原子呈密排，密排，紧接紧接A层之层之下的下的，也是密排的。，也是密排的。
5、图图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错n不全位错不全位错可以认为可以认为就在上半部的图中就在上半部的图中的的A层上的两个星层上的两个星号之间号之间，此时在下，此时在下半图上看到的对应半图上看到的对应滑移后滑移后A层原子位层原子位置，用虚线连接起置，用虚线连接起来的四边形中，越来的四边形中，越接近位错部分，畸接近位错部分，畸变越大变越大 。图图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错 1126ab 图图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错 根据其柏氏矢量与位错线的夹角
6、关系，它既可以是纯根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯刃型的，也可以是纯螺型的，见图刃型的，也可以是纯螺型的，见图4.5。图图4.5 面心立方晶体中的纯螺型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯螺型肖克莱不全位错肖克莱位错还可以是混合型的，见图肖克莱位错还可以是混合型的，见图4.6。图图4.6 面心立方晶体中的混合型肖克莱不全位错面心立方晶体中的混合型肖克莱不全位错，但是即使是，但是即使是纯刃型的肖克莱不纯刃型的肖克莱不全位错也不能攀移，全位错也不能攀移，这是因为它有确定这是因为它有确定的层错相联，若进的层错相联，若进行攀移，势必离开行攀移，势必离开此层错面，故不可此层错面，故不可能进行。
7、能进行。 图图4.7 抽出半层密排面抽出半层密排面形成的弗兰克不全位错形成的弗兰克不全位错图图4.8 插入半层密排面形成的弗兰克不全位错插入半层密排面形成的弗兰克不全位错 1113a 图图4.9 肖克莱刃型位错的柏氏回路和矢量肖克莱刃型位错的柏氏回路和矢量 图图4.10 正弗兰克位错的柏氏回路和矢量正弗兰克位错的柏氏回路和矢量11131b11131b 111311） 表表4.2 面心立方晶体中面心立方晶体中两种不全位错的特征两种不全位错的特征4.4.3 扩展位错扩展位错 (Extended Dislocation) 图图4.11 汤普森四面体及记号汤普森四面体及记号11021112611113
8、1,11061 图图4.12 全位错分解示意图全位错分解示意图 1102a1012ab 101121611b21bbbn这个位错反应从几何条件和能量条件来判断均这个位错反应从几何条件和能量条件来判断均是可行的，如下所示：是可行的，如下所示：112612161012aaa223121aa 1012a图图4.13 面心立方晶体中的扩展位错面心立方晶体中的扩展位错 d可可以根据两个肖克莱不全位以根据两个肖克莱不全位错间的斥力与位错的层错错间的斥力与位错的层错能平衡求得：能平衡求得： 8cos22112822bKbd（4-3） K一与全位错类型有关的常数；一与全位错类型有关的常数； 一全位错线与它的柏
9、氏矢量之间的一全位错线与它的柏氏矢量之间的 夹角；夹角；一层错能。一层错能。n 由（由（4-3）式可知，扩展位错的宽度）式可知，扩展位错的宽度d与晶与晶体的切变模量体的切变模量和位错的柏氏矢量和位错的柏氏矢量b成正比，与成正比，与单位面积层错能单位面积层错能成反比。即成反比。即层错能越大，扩层错能越大，扩展位错的宽度越小展位错的宽度越小。具有面心立方结构的不同。具有面心立方结构的不同金属它们的层错能是不同的。例如，金属它们的层错能是不同的。例如，铝的层错铝的层错能很高能很高，故其，故其扩展位错的宽度很窄扩展位错的宽度很窄，仅，仅12个个原子间距，实际上可认为铝中不会形成扩展位原子间距，实际上可
10、认为铝中不会形成扩展位错；而错；而奥氏体不锈钢的层错能很低奥氏体不锈钢的层错能很低，其，其扩展位扩展位错的宽度错的宽度可达十几个原子间距。可达十几个原子间距。8cos22112822bKbd 图图4.14 扩展位错的交滑移过程扩展位错的交滑移过程4.4.4 面角位错面角位错 (Lomer-Cottrell Dislocation) 如如图图4.15所示，在所示，在(111)和和 面上分别有面上分别有两个两个全位错全位错 和和 ，它们在各自的滑移面，它们在各自的滑移面分解为扩分解为扩展位错展位错：)111(1102a0112a 两个扩展位错各在自己的滑移面上两个扩展位错各在自己的滑移面上相向移动
11、相向移动，当，当每个扩展位错中的一个每个扩展位错中的一个领先不全位错达到滑移面的交领先不全位错达到滑移面的交线时线时，就会通过，就会通过位错反应位错反应，生成新的位错生成新的位错：图图4.15 面角位错的形成过程面角位错的形成过程 1106a ADDAaaaaaa即,110221161106112601121102)111(1126a2116an在在体心立方晶体体心立方晶体中以密排方向中以密排方向为滑移方为滑移方向，向，全位错的柏氏矢量为全位错的柏氏矢量为 ，相应的，相应的滑滑移面有移面有110、112、123。由于这三种滑移。由于这三种滑移面均含有相同的面均含有相同的方向，使螺型位错易于方向
12、，使螺型位错易于交滑移。在低温变形的体心立方结构金属中，交滑移。在低温变形的体心立方结构金属中，所观察到的位错多为所观察到的位错多为长而直的螺型位错长而直的螺型位错。这说。这说明，同刃型位错相比，明，同刃型位错相比，214.5.1 (Synthetic Reaction of Perfect Dislocation)1112a1112a0011112 1112aaa 如图如图4.16所示，若沿所示，若沿(101)面上具有柏氏矢面上具有柏氏矢量为量为 的位错与沿的位错与沿 面上的具有柏氏矢面上的具有柏氏矢量为量为 的位错相遇时，便可按上述反应合的位错相遇时，便可按上述反应合成新位错。成新位错。
13、1112a)110(1112a 其相应的半原子面又恰好沿着解其相应的半原子面又恰好沿着解理面理面(001)，易于成为萌生解理裂纹，易于成为萌生解理裂纹(Cleavage Crack)的部位，如图的部位，如图4.16(b)所示。所示。图图4.16 001全全位错的形成与解位错的形成与解理裂纹成核理裂纹成核)101()110(4.5.2 层错层错(Stacking Fault)n在体心立方晶体中，在体心立方晶体中，以以110面的密排程度面的密排程度最大，故可以把体心最大，故可以把体心立方晶体看成是由立方晶体看成是由110面堆垛而成。如面堆垛而成。如图图4.17所示，两个相邻所示，两个相邻的的 面上
14、原子的堆面上原子的堆垛次序为垛次序为AB AB AB，两层一循环。可供第两层一循环。可供第二层原子占据的二层原子占据的B位置位置为为马鞍型凹窝马鞍型凹窝。)101(图图4.17 面上相邻面上相邻 两层原子的分布图两层原子的分布图)101(图图4.17 面上相邻面上相邻 两层原子的分布图两层原子的分布图)101(显然，若将某一显然，若将某一B层原子的位置向凹层原子的位置向凹窝中心窝中心B1或或B2错动错动 时，便可得到两种时，便可得到两种滑移型层错滑移型层错：AB AB AB1 AB1 AB1或或 AB AB AB2 AB2 AB2 （4-4） 在凹窝中心两侧处各在凹窝中心两侧处各有两个同等稳定
15、的位置有两个同等稳定的位置B1和和B2都是都是B层原子可以占据的能量极小处，从层原子可以占据的能量极小处，从而为而为形成层错提供了可能性形成层错提供了可能性。 但但112不是密排面，不能按刚球密堆方式不是密排面，不能按刚球密堆方式逐层堆垛，如逐层堆垛，如图图4.18(a)所示。若沿所示。若沿 方向观方向观察时，可将察时，可将 面上各原子在面上各原子在(110)面上的投影面上的投影示于图示于图4.18(b)。 在体心立方晶体中，还有一种在在体心立方晶体中，还有一种在112面上面上形成层错的可能性。形成层错的可能性。112面是体心立方晶体中面是体心立方晶体中最常见到的滑移面，也是孪晶面最常见到的滑
16、移面，也是孪晶面(Twinning Plane)，为形成层错提供了有利条件。，为形成层错提供了有利条件。 ABCDEF ABCDEF AB （4-5）n而且，由于相邻两层而且，由于相邻两层 面上的原子沿面上的原子沿 方方向高度不同，又可将体心立方晶体的堆垛特点按向高度不同，又可将体心立方晶体的堆垛特点按 面的堆垛周期中每两层为一组加以描述：面的堆垛周期中每两层为一组加以描述： A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 （4-6）011a22)211 ()211 (011图图4.18 面上的原子分布及其堆垛特点面上的原子分布及其堆垛特点 （a） 面上
17、原子的分布；面上原子的分布； （b） 面上原子在（面上原子在（110）面上的投影）面上的投影)211 ()211 ()211 ( 根据以上根据以上112面的堆垛特点，可有以下三种面的堆垛特点，可有以下三种方式在体心立方晶体中形成层错。方式在体心立方晶体中形成层错。A 滑移方式滑移方式 由图由图4.18可知，可知， 面与面与(110)面相交，其面相交，其交线交线 恰好为滑移方向。每相邻两层恰好为滑移方向。每相邻两层 面原子之间的相对滑移矢量为面原子之间的相对滑移矢量为 ，如，如图图4.19所示。若将某一层所示。若将某一层 面原子面原子(如如A层原子层原子)以以上部分相对于以下的上部分相对于以下的
18、F层滑移层滑移 或或 ，可将体心立方晶体的堆垛次序变化而形成可将体心立方晶体的堆垛次序变化而形成I1型型内禀层错：内禀层错： I1=FEDCBAFEFEDCBA （4-7）)211 (111)211 (11161)211 (11161111 31图图4.19 原子在（原子在（110）面上的投影）面上的投影（代表位于纸面上的原子；（代表位于纸面上的原子；代表位于纸面下的原子）代表位于纸面下的原子）B 抽出方式抽出方式n若在体心立方晶体的正常堆垛周期中，抽出一若在体心立方晶体的正常堆垛周期中，抽出一对原子层（如对原子层（如C层和层和D层），可形成如下层），可形成如下I2型内型内禀层错：禀层错： I
19、2=FEDCBAFE BAFEDCBA （4-8）C 插入方式插入方式n若在体心立方晶体中的正常堆垛周期中，在某若在体心立方晶体中的正常堆垛周期中，在某一一B面处将晶体切开后，使其上各层原子向上面处将晶体切开后，使其上各层原子向上沿沿 方向移动方向移动 距离，再在该空隙中插距离，再在该空隙中插入一对原子层（如入一对原子层（如E层和层和F层），则可形成层），则可形成E型型外延层错：外延层错： E=CDEFABE FCDEFABC （4-9）211 211 31n在上述改变在上述改变112面堆垛次序的过程中，要相面堆垛次序的过程中，要相应破坏或变动相邻原子层的键合状态。按照应破坏或变动相邻原子层的
20、键合状态。按照所涉及的原子键合破坏的程度，可以认为，所涉及的原子键合破坏的程度，可以认为，I1型内禀层错所需能量最小型内禀层错所需能量最小，而形成其他两，而形成其他两种层错所需能量较大。因此种层错所需能量较大。因此在体心立方晶体在体心立方晶体中中，层错一般，层错一般以以I1型为主型为主，其他两种层错的，其他两种层错的实用意义不大。实用意义不大。4.5.3 不全位错不全位错n在体心立方晶体中可能形成的不全位错主要有：在体心立方晶体中可能形成的不全位错主要有：1)在在110面上形成一部分层错时，其边界为不全面上形成一部分层错时，其边界为不全位错位错 ；2)在在112面上形成一部分层错时，其边界为不
21、全面上形成一部分层错时，其边界为不全位错位错 或或 。n另外，在体心立方晶体中，也可能在另外，在体心立方晶体中，也可能在I1型层错的型层错的基础上进一步形成基础上进一步形成I3型层错，与其相对应的型层错，与其相对应的112面的堆垛次序如下：面的堆垛次序如下： I3=FEDCBAF F A AFEDCBA （4-10）110811116111131EB 这种这种I3型层错相当于具有三个原子层厚的孪晶，可型层错相当于具有三个原子层厚的孪晶，可以看成是在如图以看成是在如图4.20（a）所示的）所示的I1型层错的基础上，经型层错的基础上，经柏氏矢量为柏氏矢量为 和和 的两不全位错在的两不全位错在FE和
22、和ED两原两原子层之间相继滑移的结果。若在子层之间相继滑移的结果。若在112面上形成一部分面上形成一部分I3型层错时，其边界的一端为三个分布在相邻三个滑移面型层错时，其边界的一端为三个分布在相邻三个滑移面上的上的 不全位错，另一端为柏氏矢量和等于零的区不全位错，另一端为柏氏矢量和等于零的区域位错，如图域位错，如图4.20（b）所示。）所示。图图4.20 在在 面上形成的（面上形成的（a）部分）部分I1型层错和（型层错和（b）部分）部分I3型层错型层错111 311116111161)211 (4.5.4 扩展位错扩展位错A 在在110面上的扩展位错面上的扩展位错n如图如图所示，所示，B层原子要
23、从一个平衡位置滑移到层原子要从一个平衡位置滑移到另一个平衡位置时，比较容易的途径是另一个平衡位置时，比较容易的途径是将全位将全位错的运动分解成三个不全位错的运动错的运动分解成三个不全位错的运动，即，即n这种全位错这种全位错分解的特点分解的特点是，所形成的是，所形成的。其中，。其中， 位错留在原位错留在原位错位错 所在处，所在处， 和和 两不全位错构成扩展位两不全位错构成扩展位错的两个边界。错的两个边界。3211108112411081112bbbbaaaa2bb1b3bn 面上相邻两层原子的分布图面上相邻两层原子的分布图n科恩科恩(Cohen)等人曾用这种模型设想一个等人曾用这种模型设想一个
24、螺型位螺型位错分解形成可滑移型扩展位错的可能性，如错分解形成可滑移型扩展位错的可能性，如图图4.21(a)所示，这种分解反应称为所示，这种分解反应称为可滑移分解可滑移分解。n柯佑帕柯佑帕(Kroupa)等人又设想等人又设想 螺型位错可沿属于螺型位错可沿属于111晶带轴的三个晶带轴的三个110面内分解，如面内分解，如图图4.21(b)和和(c)所所示。其位错反应如下：示。其位错反应如下：n 为中心螺型位错，分别与另三个不全位错以三片层为中心螺型位错，分别与另三个不全位错以三片层错相联，故称为错相联，故称为三叶位错三叶位错。在图。在图4.21中，中，(b)和和(c)是等是等效的两个状态，可以交替地
25、沿同一条位错线扩展。效的两个状态，可以交替地沿同一条位错线扩展。43211114101181101811108111121bbbbb11121111214b图图4.21 柏氏矢量为柏氏矢量为 的螺型位错在的螺型位错在110面上分解面上分解（a）可滑移分解；（）可滑移分解；（b）和（）和（c）不可滑移分解，两种状态相差）不可滑移分解，两种状态相差18011121B 在在112面上的扩展位错面上的扩展位错nFrank等人提出，等人提出， 螺型位错可在螺型位错可在112面上按下式面上按下式分解扩展：分解扩展： 这是由于这是由于一个螺型全位错分解成两个螺型不全位错一个螺型全位错分解成两个螺型不全位错，
26、均位于同一滑移面上，如均位于同一滑移面上，如图图4.22(a)所示。这种位错组所示。这种位错组态在外力作用下可整体滑移，也称为态在外力作用下可整体滑移，也称为可滑移分解可滑移分解。n赫许赫许(Hirsch)等人又提出了一种等人又提出了一种 螺型位错沿属于螺型位错沿属于111晶带轴的三个晶带轴的三个112面上分解的可能性，如面上分解的可能性，如图图4.22(b)所示，即所示，即111211113111161111211112111161111611116111121n其特点是形成相交的三片层错，分别以三个其特点是形成相交的三片层错，分别以三个 螺型螺型不全位错为边界，但却不全位错为边界，但却无中
27、心不全位错无中心不全位错。n斯利维克（斯利维克（Sleeswyk）认为这种中心无不全位错的扩）认为这种中心无不全位错的扩展位错不稳定，应按展位错不稳定，应按图图4.22（c）所示的方式分解。在）所示的方式分解。在无应力作用时，图无应力作用时，图4.22（c）中所示的组态可有三种等）中所示的组态可有三种等效情况（相差效情况（相差120）。）。n这种这种各不全位错分别位于不同滑移面上的分解各不全位错分别位于不同滑移面上的分解，也称，也称为为不可滑移分解不可滑移分解。所形成的扩展位错组态具有阻碍其。所形成的扩展位错组态具有阻碍其他位错滑移的特性。他位错滑移的特性。 11161图图4.22 螺型位错在
28、螺型位错在112面上分解机制示意图面上分解机制示意图 （a）可滑移分解；可滑移分解；（b）不可滑移分解，无中心位错；不可滑移分解，无中心位错；（c）不可滑移分解，有中心位错不可滑移分解，有中心位错111214.6.1 层错层错n密排六方晶体也为密排结构，其密排六方晶体也为密排结构，其堆垛次序堆垛次序为为AB AB AB，二层一循环。，二层一循环。密排面密排面是（是（0001）面，这种密排面也可以用刚球模型来描述，如面，这种密排面也可以用刚球模型来描述，如图图4.23所示。所示。 图图4.23 密排六方晶体密排六方晶体中密排面的刚球模型中密排面的刚球模型 在密排六方晶体中，层错也有内禀型和外延在
29、密排六方晶体中，层错也有内禀型和外延型之分，可分别由以下三种方式形成。型之分，可分别由以下三种方式形成。 A 抽出一层原子后，上下两部分晶体适当平移抽出一层原子后，上下两部分晶体适当平移n若在密排六方晶体的正常若在密排六方晶体的正常AB AB堆垛次序中去堆垛次序中去掉某一层原子，如掉某一层原子，如B层原子，再使其上各层原层原子，再使其上各层原子的位置平移子的位置平移 ，会使堆垛次序变为，会使堆垛次序变为 （4-11） 则形成则形成内禀型层错内禀型层错，即，即 AB AB AB ACA CA CA （4-12）100131ACACBABAABABAn其特点是从其特点是从AB AB两层循环堆垛过渡
30、到两层循环堆垛过渡到AC AC堆垛之堆垛之间，存在三层堆垛结构间，存在三层堆垛结构BAC。由于不可能由同种类面。由于不可能由同种类面构成邻近面，如构成邻近面，如AA和和BB，所以在，所以在密排六方晶体中的密排六方晶体中的层错必然包含面心立方晶体中的堆垛层次层错必然包含面心立方晶体中的堆垛层次。B 简单滑移简单滑移n若将晶体在某一若将晶体在某一B层处剖开，使上部晶体相对下部晶层处剖开，使上部晶体相对下部晶体平移至体平移至C位置，也可形成位置，也可形成内禀型层错内禀型层错，例如，例如 （4-13） 则得则得 AB AB ABCA CA CA （4-14）ACACACBABABAABABC 插入一层
31、原子插入一层原子n若在若在A和和B层之间插入一层层之间插入一层C原子，则可形成原子，则可形成外外延型层错延型层错，即，即 （4-15）n显然，第一种和第三种情况可以相互转化，通显然，第一种和第三种情况可以相互转化，通过滑移会由一种层错变成另一种层错，例如过滑移会由一种层错变成另一种层错，例如第一种：第一种：AB AB AC A C A C （滑移）（滑移） 第三种：第三种：AB AB A C B A B A （4-16）BABABCABABA4.6.2 不全位错不全位错A 密排六方晶体中的矢量记号密排六方晶体中的矢量记号 利用图利用图4.24所示的所示的双角锥体双角锥体表示密排六方表示密排六方
32、晶体中的各矢量。晶体中的各矢量。 图图4.24 密排六方晶体中的密排六方晶体中的柏格森记号柏格森记号可以看出，密排六方晶体中重要的位错有：可以看出，密排六方晶体中重要的位错有： n1）6个柏氏矢量等于双角锥体个柏氏矢量等于双角锥体基面基面ABC的边长的边长 的的全位错全位错，即，即 ；n2）2个柏氏矢量个柏氏矢量垂直于基面垂直于基面的的全位错全位错， 即即 ；n3）12个个 型的型的不全位错不全位错，其柏氏矢量可，其柏氏矢量可 用用 表示，是代表表示，是代表SA和和TB中点连线长中点连线长 度两倍的矢量度两倍的矢量；n4）4个柏氏矢量个柏氏矢量垂直于底面垂直于底面的的不全位错不全位错，即，即
33、；CABC,AB和TSST 和321131TB/SATS和n5）6个在基面上的个在基面上的肖克莱不全位错肖克莱不全位错，其柏氏矢，其柏氏矢 量分别为量分别为 ； n6）12个柏氏矢量为个柏氏矢量为 的的不全位错不全位错，是由，是由4）和）和5）两不全位错合）两不全位错合 成的结果。成的结果。n密排六方晶体中密排六方晶体中常见位错的柏格森记号常见位错的柏格森记号(表表4-3)CBA和,CTBTTCSBS和、AAS（2）戴曼诺（）戴曼诺（Damiano）记号）记号n图图4.25所示的基本六方单位晶胞上，各符号表所示的基本六方单位晶胞上，各符号表示密排六方晶体中常见位错的柏氏矢量及滑移示密排六方晶体
34、中常见位错的柏氏矢量及滑移面，面，见表见表4.4。图图4.25 密排六方晶体中矢量的密排六方晶体中矢量的戴曼诺记号戴曼诺记号表表4.4 密排六方晶体中密排六方晶体中常见位错及滑移面的戴曼诺记号常见位错及滑移面的戴曼诺记号B 肖克莱不全位错肖克莱不全位错n在铍、镁、镉和锌等具有密排六方点阵的金属在铍、镁、镉和锌等具有密排六方点阵的金属中，滑移系统中，滑移系统 （0001）的临界切应力很的临界切应力很低，使基面滑移易于进行。低，使基面滑移易于进行。在基面上，全位错在基面上，全位错可分解成两个肖克莱不全位错，中间以内禀型可分解成两个肖克莱不全位错，中间以内禀型层错区相连，层错区相连，如如图图4.26
35、所示。相应的位错反应所示。相应的位错反应按柏格森记号为：按柏格森记号为： （4-17） 即即021131BAAB010131011031021131两肖克莱不全位错的柏氏矢量同全位错的柏氏两肖克莱不全位错的柏氏矢量同全位错的柏氏矢量之间呈矢量之间呈30角。肖克莱不全位错可具有角。肖克莱不全位错可具有刃型、螺型或混合型等类型。刃型、螺型或混合型等类型。（4-11）式）式（4-13）式）式图图4.26 全位错在基面上分解成两个肖克莱位错和内禀型层错全位错在基面上分解成两个肖克莱位错和内禀型层错C 弗兰克不全位错弗兰克不全位错n在密排六方晶体中，可由在密排六方晶体中，可由空位盘崩塌空位盘崩塌或或间隙
36、原间隙原子沉淀子沉淀形成弗兰克位错。由形成弗兰克位错。由图图4.27可见，可见，空位空位在基面上在基面上聚集聚集和和崩塌崩塌后，会导致后，会导致同种类原子层同种类原子层成为成为近邻近邻，使系统，使系统能量增高能量增高。改变这种不稳定。改变这种不稳定原子组态的一种方式是将空位盘上面的一层原原子组态的一种方式是将空位盘上面的一层原子由子由B位置改变到位置改变到C位置，成为一层附加的位置，成为一层附加的C原原子，如子，如图图4.27（c）所示。这相当于其上层和下所示。这相当于其上层和下层各有符号相反的一个柏氏矢量为层各有符号相反的一个柏氏矢量为 的的肖克莱位错运动的结果。肖克莱位错运动的结果。011
37、031 图图4.27 弗兰克位错环的空位盘崩塌形成机制弗兰克位错环的空位盘崩塌形成机制（a）空位在基面上聚集形成空位盘；（）空位在基面上聚集形成空位盘；（b）空位盘崩塌；）空位盘崩塌；（c）调整层错区堆垛次序，形成外延型弗兰克位错环；）调整层错区堆垛次序，形成外延型弗兰克位错环；（d）调整层错区堆垛次序，形成内禀型弗兰克位错环）调整层错区堆垛次序，形成内禀型弗兰克位错环n所涉及的位错反应按戴曼诺记号为：所涉及的位错反应按戴曼诺记号为： （4-18）即即00AAAA0001211001310011 31000121然而，然而，按此种方式所形成的弗兰克位错环包围着按此种方式所形成的弗兰克位错环包围
38、着层错，所需能量较大，层错，所需能量较大，故故有可能在层错区有可能在层错区萌生一个肖克莱位错环，并由其扩展运动使层错萌生一个肖克莱位错环，并由其扩展运动使层错变为变为。于是，在原弗兰克位错环所在的边。于是，在原弗兰克位错环所在的边界处，便可能发生如下反应而形成界处，便可能发生如下反应而形成 型的弗兰型的弗兰克位错。克位错。0AA （4-19） 即即n在所得到的弗兰克位错环内包围着内禀型层错，在所得到的弗兰克位错环内包围着内禀型层错，层错能较低。一般认为，层错能较低。一般认为，外延型层错的层错能外延型层错的层错能约为内禀型层错的三倍。约为内禀型层错的三倍。所以，所以，在密排六方晶在密排六方晶体中
39、由空位盘崩塌形成的弗兰克位错环的柏氏体中由空位盘崩塌形成的弗兰克位错环的柏氏矢量以矢量以 为主。为主。位错环的尺寸受层错能、位错环的尺寸受层错能、应力、温度和杂质含量等影响。应力、温度和杂质含量等影响。 和和 型弗兰克位错环不能沿基面滑移（不动位型弗兰克位错环不能沿基面滑移（不动位错），但两者均可攀移。错），但两者均可攀移。00AAAA2032610001211001313220610A0AAn另外，也可以由另外，也可以由间隙原子在基面上沉淀间隙原子在基面上沉淀(Precipitate)形成形成如如图图4.28（a）和（）和（b）的围绕）的围绕外延型层错外延型层错的弗兰克位错环，其柏氏矢量的弗
40、兰克位错环，其柏氏矢量为为 。由于其层错能高使位错环尺寸足够大。由于其层错能高使位错环尺寸足够大时，会时，会按（按（4-19）式）式通过肖克莱位错环的萌生通过肖克莱位错环的萌生与运动而与运动而转变成内禀型转变成内禀型弗兰克位错环，如图弗兰克位错环，如图4.28（c）所示。在经辐照的）所示。在经辐照的Mg、Cd和和Zn中，中，已观察到间隙原子在基面上沉淀形成的弗兰克已观察到间隙原子在基面上沉淀形成的弗兰克位错环，其柏氏矢量为位错环，其柏氏矢量为 和和 两种。两种。000121000121322061图图4.28 弗兰克位错环的间隙原弗兰克位错环的间隙原 子沉淀形成机制子沉淀形成机制（a）间隙原子
41、在基面上沉淀；）间隙原子在基面上沉淀；（b）外延型弗兰克位错环的）外延型弗兰克位错环的形成；形成；（c）内禀型弗兰克位错环的）内禀型弗兰克位错环的形成形成D 其他不全位错其他不全位错n除在表除在表4.3中已讨论过的几种不全位错外，其中已讨论过的几种不全位错外，其余位错均与位错分解或合成有关。例如，可动余位错均与位错分解或合成有关。例如，可动的不全位错的不全位错 位于基面，围绕着内禀型层错，位于基面，围绕着内禀型层错，并对以下位错分解反应具有亚稳定性。并对以下位错分解反应具有亚稳定性。 或或 n不动位错不动位错 也有一定的亚稳定性，可按以下也有一定的亚稳定性，可按以下反应分解：反应分解：n其中，
42、分解产物其中，分解产物 和和 两位错可分别在两位错可分别在 面上滑移。面上滑移。ACACABABACCCCCCCC)()(CBAACAC和n全位错全位错 或或 为可动位错，但在一定条件下为可动位错，但在一定条件下可分解形成不动位错组态，如可分解形成不动位错组态，如图图4.29所示。相所示。相应的分解反应为：应的分解反应为： 或或 n由图由图4.29可知，这种分解反应需要攀移条件，可知，这种分解反应需要攀移条件，可可通过空位或间隙原子短程扩散发生通过空位或间隙原子短程扩散发生。这种分。这种分解反应对于限制非基面滑移有重要作用，可能解反应对于限制非基面滑移有重要作用，可能是使全位错是使全位错 或或
43、 滑移时有很高静态滑移时有很高静态P一一N障障碍的原因。碍的原因。AABAAAAAAA00BAAABA00AABA图图4.29 全位错全位错 分解分解（a） 全位错组态；（全位错组态；（b） 复合位错组态复合位错组态AAAAAAAA004.6.3 位错的扩展位错的扩展n n扩展位错的宽度与层错能成反比扩展位错的宽度与层错能成反比，层错能较高，层错能较高的的Mg中位错一般不扩展，而层错能较低的中位错一般不扩展，而层错能较低的Cd和和Zn中位错有较明显的扩展。中位错有较明显的扩展。n在有利于棱柱滑移的密排六方结构金属中，基在有利于棱柱滑移的密排六方结构金属中，基面滑移虽可进行，但全位错不易发生（面
44、滑移虽可进行，但全位错不易发生（4-17）式所示的分解扩展。式所示的分解扩展。这可能因为在密排六方结这可能因为在密排六方结构金属中，晶面间距与构金属中，晶面间距与c/a值有关。在值有关。在c/a1.633的情况下，基面间距变小，使相邻原子层间的的情况下，基面间距变小，使相邻原子层间的键合增强，从而难于改变堆垛次序而形成稳定键合增强，从而难于改变堆垛次序而形成稳定层错。层错。 n在受高应力作用下及晶体取向不利于基面滑移在受高应力作用下及晶体取向不利于基面滑移和棱柱滑移的条件下，在和棱柱滑移的条件下，在 和和 面上面上以以 为柏氏矢量的滑移系统可以开动为柏氏矢量的滑移系统可以开动(II型型棱锥滑移
45、系统棱锥滑移系统) 。其中，。其中， 面也是密排六面也是密排六方结构金属中常见的孪晶面之一。但由于相应方结构金属中常见的孪晶面之一。但由于相应的柏氏矢量较大，而且此类原子面不是理想的的柏氏矢量较大，而且此类原子面不是理想的密排面，使位错滑移的晶格阻力较大。密排面，使位错滑移的晶格阻力较大。 111022113211312211n罗斯鲍姆（罗斯鲍姆（Rosenbaum）等人在刚球点阵模）等人在刚球点阵模型的基础上提出，柏氏矢量为型的基础上提出，柏氏矢量为 或或 的的全位错在全位错在 面上可能分解成四个不全位错，面上可能分解成四个不全位错，其柏氏矢量均为其柏氏矢量均为 。其中，。其中，一个不全位错
46、的一个不全位错的中心同时占据三个相邻的中心同时占据三个相邻的 面，而在各面面，而在各面上引起的原子位移不同上引起的原子位移不同，称为，称为区域位错区域位错。另外。另外三个不全位错分别位于三个三个不全位错分别位于三个 面上，与区面上，与区域位错和三片相邻的层错共同组成域位错和三片相邻的层错共同组成扩展位错扩展位错，如如图图4.30所示。由于区域位错运动时可形成孪所示。由于区域位错运动时可形成孪晶，使晶，使 滑移同孪晶有密切关系。滑移同孪晶有密切关系。 321131CB)2211(CB41)2211()2211(32112211图图4.30 全位错全位错 在在 面上分解形成一个面上分解形成一个 区
47、域位错和三个不全位错区域位错和三个不全位错CB)2211(：全位错和不全位错；：全位错和不全位错；：kibb22kibb112612161012aaa4）面角位错：）面角位错：形成于两个形成于两个111面之间的面角上，由三个面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态。不全位错和两片层错所构成的位错组态。I1型内禀层错、型内禀层错、 I2型内禀层错、型内禀层错、 E型外延层错。型外延层错。ADDAaaaaaa即,1102211611061126011211020011112 1112aaa3）不全位错：）不全位错： 11081112411108111121111410118110181110811112111131111611112111161111611116111121三个不全位错分别位于三个三个不全位错分别位于三个 面上，面上，与区域位错和三片相邻的层错共同组成与区域位错和三片相邻的层错共同组成扩展位错。扩展位错。010131011031021131203261000121100131)2211(