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1、晶体缺陷位错概念晶体缺陷位错概念本讲稿第一页，共二十九页位错理论的发展：位错理论的发展：l1907，沃尔特拉（volterra)在弹性体中提出位错概论l1934，波拉尼（M.Polanyi)和奥罗万（E.Orowan)及泰勒（G.I.Taylor)提出晶体缺陷的位错模型l1939，柏格斯（Burgers）引入柏格斯矢量l1940，皮尔斯（Peierls)提出，1947，由纳巴罗（Nabarro）修正的位错点阵模型l1947，科特雷尔（Cottrell）阐明了位错和溶质原子的相互作用l1947，肖克莱（Shockley）提出了面心立方中的扩展位错l1950，弗兰克（Frank）和里德（Read）
2、提出位错的增殖机理l1953，奈（Nye）和1954，比尔拜（Bilby)以及克朗尼（Kroner)提出了无限小位错连续分布模型。l位错受力公式（克朗尼，1950，布林，1955）l位错的观察，1956，门特（Menter），赫希（Hirsch）本讲稿第二页，共二十九页 位错的基本类型及特征 刃型位错:螺型位错:混合位错本讲稿第三页，共二十九页刃位错 形成及定义形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）移部分和
3、未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。几何特征：几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力压应力作用，原作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力张应力作用，原子间距大于作用，原子间距大于正常晶格间距。正常晶格间距。分类：分类：正刃位错，正刃位错，“”；负刃位错，；负刃位错，“T”。符号中水平线代表滑移面，垂直线。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。代表半个原子面。本讲稿第四页，共二十九页确定半原子面的
4、右手定则确定半原子面的右手定则位错线正方向：食指位错线正方向：食指B方向：中指方向：中指半原子面：拇指半原子面：拇指本讲稿第五页，共二十九页刃型位错-刃位错结构示意图刃位错结构示意图本讲稿第六页，共二十九页基本点如下：位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界正、负刃位错位错宽度，25个原子间距位错是一管道额外（多余）半原子面滑移矢量滑移面刃位错不一定是直线，可为纯刃型位错环本讲稿第七页，共二十九页刃型位错特征：位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变位错是一管道本讲稿第八页，
5、共二十九页刃型位错：位错线为曲线刃型位错：位错线为曲线位错线为曲线，滑移面为曲面位错线为曲线，滑移面为曲面本讲稿第九页，共二十九页形成及定义：形成及定义：晶体在外加切应力晶体在外加切应力 作用下，沿作用下，沿ABCD面滑移，图中面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。称为螺位错。几何特征：几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。分类：分类：有左
6、、右旋之分有左、右旋之分.符合左手、右手螺旋定则。符合左手、右手螺旋定则。螺螺位位错错位错线的方向与滑移矢量一致：右手螺旋位错线的方向与滑移矢量相反：左手螺旋本讲稿第十页，共二十九页拇指指向顺着位错的柏氏拇指指向顺着位错的柏氏矢量方向滑移的那部分晶体矢量方向滑移的那部分晶体中指指向位错运动方向中指指向位错运动方向食指指向位错线的正方向食指指向位错线的正方向右手法则右手法则:确定位错滑移确定位错滑移面两侧的两部面两侧的两部分晶体的具体分晶体的具体滑移方向滑移方向位错的运动方向由位错的本身性质决定！位错的运动方向由位错的本身性质决定！位错线运动的方向始终和位错线方向垂直，二者决定了滑移面，由食指和
7、中指决定滑移面，大拇指决定滑移位错线运动的方向始终和位错线方向垂直，二者决定了滑移面，由食指和中指决定滑移面，大拇指决定滑移面法向的正方向，该方向指向顺着位错的柏氏矢量方向滑移的那部分晶体面法向的正方向，该方向指向顺着位错的柏氏矢量方向滑移的那部分晶体本讲稿第十一页，共二十九页左右螺旋位错左右螺旋位错本讲稿第十二页，共二十九页 螺型位错 图为螺型位错形成模型本讲稿第十三页，共二十九页螺型位错-特征：特征：1）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称2）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线3）包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限
8、4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）5）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直本讲稿第十四页，共二十九页 在外力在外力 作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合），这样的位错称为混合位错。位错。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错
9、线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。不同而已。混合位错本讲稿第十五页，共二十九页 混合位错混合位错位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意角度。图为混合位错的产生本讲稿第十六页，共二十九页位错环位错环有纯的刃型位错环，无纯的螺型位错环有纯的刃型位错环，无纯的螺型位错环位错线不能终止于晶体内部，具有封闭性位错线不能终止于晶体内部，具有封闭性本讲稿第十七页，共二十九页柏氏矢量柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢
10、量”或“柏氏矢量”，用b表示柏氏矢量的确定（方法与步骤）柏氏矢量的确定（方法与步骤）1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。本讲稿第十八页，共二十九页刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量 位错线正方向柏格斯矢量多余半原子面yzxo食指中指拇指与起点选取位置无关与起点选取位置无关本讲稿第十九页，共二十九页螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量螺型位错的柏氏回路和柏
11、氏矢量螺型位错的螺型位错的b矢量与位错线平行，矢量与位错线平行，b与位错线正方向平行为右螺型位错，与位错线正方向平行为右螺型位错，反平行为左螺型位错反平行为左螺型位错本讲稿第二十页，共二十九页混合位错的混合位错的b矢量矢量l不平行也不垂直位错线位错线位错线B矢量矢量本讲稿第二十一页，共二十九页柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义1）表征位错线的性质据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，2）b表征了总畸变的积累围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。3）b表征了位错强度同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，
12、能量高且不稳定。4）位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。本讲稿第二十二页，共二十九页b矢量的表示法矢量的表示法l以晶轴为坐标系，用晶向指数来表示：体心：b=a/2111一般立方晶系：b=a/n矢量大小：本讲稿第二十三页，共二十九页柏氏矢量特征1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关2)对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的，此即位错的伯氏矢量的守恒性。推论：a.一条位错线只有一个伯氏矢量。b.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和。如有几根位错线的方向均指向或离开
13、节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零本讲稿第二十四页，共二十九页证明一个位错只有一个一个位错只有一个b矢量矢量本讲稿第二十五页，共二十九页一个位错环只有一个一个位错环只有一个b矢量矢量本讲稿第二十六页，共二十九页多个位错相遇指向多个位错相遇指向同一个节点或离开同一个节点或离开一个节点，一个节点，b矢量和矢量和等于零等于零本讲稿第二十七页，共二十九页位错线的连续性 位位错错线线不不可可能能中中断断于于晶晶体体内内部部。在在晶晶体体内内部部，位位错错线线要要么么自自成成环环状状回回路路，要要么么与与其其它它位位错错相相交交于于节节点点，要要么么穿穿过过晶晶体体终终止止于于晶晶界界或或晶晶体表面。体表面。本讲稿第二十八页，共二十九页位错密度位错密度l定义1：单位体积中含有位错的总长度l定义2：单位面积上截过的位错数目当所有位错线相互平行并且都垂直于表面时：单位：长度单位-2一般退火金属晶体中一般退火金属晶体中 为为105106cm-2数量级，数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，经剧烈冷加工的金属晶体中，为为10101012cm-2本讲稿第二十九页，共二十九页