(材料科学基础)位错反应和扩展位错

第三章晶体缺陷（六）——实际晶体结构中的位错烟台大学秦连杰E-mail：[e-mail]面心立方晶体中的典型位错柏氏矢量1102a1126a1113a位错类型刃、螺、混刃、螺、混纯刃位错线形状空间曲线｛111｝面上任意曲线｛111｝面上任意曲线可能运动方式滑移、攀移只滑不攀只攀不滑位错名称全位错肖克莱位错弗兰克位错4.位错反应(dislocationreaction)：4.位错反应实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化为组态稳定的位错;具有不同b的位错线可以合并为一条位错线；反之，一条位错线也可以分解为两条或多条具有不同b的位错线。位错反应－位错之间相互转换(即柏氏矢量的合成与分解)。4.位错反应位错反应能否进行取决于两个条件：①几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。后前bb②能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总能量，这是热力学定律所要求的。22bb后前b1b2b3注意：b的方向与规定的ξ的正向有关。所以位错反应中，一般规定反应前位错线指向节点，反应后离开节点。2eEb①一个位错分解成两个或多个具有柏氏矢量的位错，面心立方晶体中一个全位错分解成两个肖克莱不全位错。②两个或多个具有不同柏氏矢量的不全位错合并成一个全位错，一个肖克莱不全位错和一个弗兰克不全位错合并成一个全位错。112621161102aaa③两个全位错合并成另一全位错。④两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：110211020112aaa110211131126aaa11121112010100aaaa4.位错反应]100[]100[2ab]100[]100[1ab]100[2ab上例中：结构条件：]100[2a满足能量条件：24a满足21bbb22122bbb∴反应能进行]100[]100[aa22aa4.位错反应例：fcc中，柏氏矢量为的位错能否分解成单位位错？1212a结构条件：]011[2]110[2]121[2aaa满足能量条件：232a满足2222aa]121[2a]11[02a4.位错反应]110[2a5.面心立方晶体中的位错Thompson四面体：可以帮助确定fcc结构中的位错反应。1)汤普森四面体)02121(A)21021(B)21210(C)000(D1)汤普森四面体αβγ(b)四面体外表面中心位置]121[61]112[61c）汤普森四面体的展开1)汤普森四面体用于表示fcc晶体中的位错反应Thompson四面体在fcc晶胞中的位置：D点在坐标原点，其余顶点的坐标分别为，A(1/2,0,1/2)，B(0,1/2,1/2)，C(1/2,1/2,0)。四面体4个外表面（等边三角形）的中心分别用α、β、γ、δ表示，并分别对应A、B、C、D四个顶点所对的面。这样A、B、C、D、α、β、γ、δ等8个点中的每2个点连成的向量就表示了fcc晶体中所有重要位错的柏氏矢量。1)汤普森四面体)111()()111()()111()()111()(ABCdABDcADCbBDCa111(,,)663111(,,)636111(,,)366111(,,)33311(,,0)2211(,0,)2211(0,,)22(0,0,0)ABCDABCDαβδγ1)汤普森四面体BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ1[110]21[101]21[011]2DADBDC1[011]21[110]21[101]2ABDBDABCDCDBACDCDA由四面体顶点A、B、C、D（罗马字母）连成的向量：罗-罗向量就是fcc中全位错的12个可能的柏氏矢量1)汤普森四面体1、罗-罗向量BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ由四面体顶点（罗马字母）和通过该顶点的外表面中心（不对应的希腊字母）连成的向量：这些向量可以由三角形重心性质求得不对应的罗-希向量是fcc中24个Shockley不全位错的柏氏矢量1[112]61[121]61[211]6DDD1[211]61[121]61[112]6AAA1[211]61[112]61[121]6BBB1[121]61[112]61[211]6CCC2、不对应的罗-希向量BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个1/3＜111＞型的滑移矢量。根据矢量合成规则可以求出对应的罗－希向量：111[011][211][111]263111[110][112][111]263111[101][121][111]263111[110][112][111]263AABBBBCCCCAADDAA对应的罗－希向量就是fcc中8个Frank不全错的柏氏矢量。3、对应的罗-希向量所有希－希向量也都可以根据向量合成规则求得：1111[121][112][011]6663CCBA同理可得：11[101]6311[110]6311[110]6311[101]6311[011]63CADACBDBDC希－希向量就是fcc中压杆位错的柏氏矢量。BADDDCα(a)(c)(b)(d)γδβ4、希-希向量2)扩展位错面心立方中扩展位错的进一步解释：正常堆垛ABCABC….B位置到C位置：ABCACB….，层错2)扩展位错由一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。1102a如图(111)面上的圆球位置为A层位置，B层和C层的原子分别处于三个A层原子位置的低谷位置。a)全位错的滑移]101[2ab若单位位错在切应力作用下沿着(111)在A层原子面上滑移时，则B层原子从B1位置滑动到相邻的B2位置，点阵排列没有变化，不存在层错现象。但需要越过A层原子的“高峰”，这需要提供较高的能量。1012ab101面心立方晶体中，能量最低的全位错是处在(111)面上的柏氏矢量为的单位位错。现考虑它沿(111)面的滑移情况。1102a但如果滑移分两步完成，即先从B1位置沿A原子间的“低谷”滑移到邻近的C位置，即；然后再由C滑移到另一个B2位置，即，这种滑移比较容易。121611b112612bb)及分位错的滑移及其间的层错]121[61b]112[61b第一步当B层原子移到C位置时，将在(111)面上导致堆垛顺序变化，即由原来的ABCABC...正常堆垛顺序变为ABCACABC...。这种原子堆垛次序遭到破坏现象称为堆垛层错。而第二步从C位置再移到B位置时，则又恢复正常堆垛顺序。每一步滑移造成了层错，因此，层错区与正常区之间必然会形成两个不全位错。故和为肖克莱不全位错。也就是说，一个全位错分解为两个肖克莱不全位错和，全位错的运动由两个不全位错的运动来完成，即1b2bb1b2b这个位错反应从几何条件和能量条件判断均是可行的，因为110121211266aaa几何条件：110121211266aaa能量条件：21bbb,2122ab22222213166aaabb22212bbb2)扩展位错分解后的这两个不全位错位于同一滑移面上，其柏氏矢量夹角是60°，它们是互相排斥的，有分开的趋势，在两个不全位错之间夹了一片层错区。通常我们将这种两个不全位错夹一个层错区的组态称之为扩展位错。BBBBBBCCA]211[6a]121[6aCCA]110[2ab1b2b3b1b2b3Cb1=b2+b3+SF2)扩展位错（1）扩展位错的宽度为了降低两个不全位错间的层错能，力求把两个不全位错的间距缩小，则相当于给予两个不全位错一个吸力，数值等于层错的表面张力γ（即单位面积层错能）。两个不全位错间的斥力则力图增加宽度，当斥力与吸力相平衡时，不全位错之间的距离一定，这个平衡距离便是扩展位错的宽度d。面心立方晶体中的扩展位错当f与层错能γ相等时，处于平衡∴扩展位错的宽度:dbbG221221bbGd层错能↑，扩展宽度d↓，相反则↑。122Gbbfrdb1b2bCoAgCuAuAlNi0.020.020.040.060.200.25J/m2两个平行不全位错之间的斥力（1）扩展位错的宽度]112[6]211[6]110[2_aaa)111(]110[2abs]112[6_a]211[6a纯螺位错在面上分解)111(]110[2abs运动过程中，若前方受阻，两个偏位错束集成全位错。当杂质原子或其它因素使层错面上某些地区的能量提高时，该地区的扩展位错就会变窄，甚至收缩成一个结点，又变成原来的全位错，这个现象称为位错的束集。束集可以看作位错扩展的反过程。（2）扩展位错的束集]211[6a]211[6a]112[6_a]112[6_a)111(在外力作用下，扩展位错收缩成原来的全位错的过程称为束集。（2）扩展位错的束集由于扩展位错只能在其所在的滑移面上运动，若要进行交滑移，扩展位错必须首先束集成全螺位错，然后交滑移到面上，重新分解成新的扩展位错，继续运动。]121[6]121[6]110[2_aaa)111(总结：在实际晶体中，由于扩展位错的形成，螺位错的交滑移比全位错的交滑移要困难得多，必须经束集后才能进行。晶体层错能越低，扩展位错的宽度越大，束集越困难，不易交滑移，因此晶体的变形抗力越大。（3）扩展位错的交滑移)111()111(]121[6a]121[6a扩展位错的交滑移过程（3）位错网络Dislocationnetwork实际晶体中存在几个b位错时会组成二维或三维的位错网络112611126110121BDDB211611216110121ABBA)111(设：面上有扩展位错：)111(面上有扩展位错：在相交滑移面上两个扩展位错的领先位错相遇而成即（a）－BDC面上：即（d）－ABC面上：CB(111))111(112611126112161211614.面角位错(L-C位错、压杆位错)BDCA反应过程——CB(111))111(1126121161BB＋bbBC1106110121＝）（001滑移面：Lomer-Cottrell位错，面角位错4.面角位错(L-C位错、压杆位错)CB(111))111(11261112611216121161BDCA该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错中的一个不全位错到达交线BC时，发生位错反应：]110[61]121[61]112[61B+B新位错1/6[110]的柏氏矢量在（001）面上，滑移面是（001），因此是固定的纯刃型位错。另外，它还带着两片分别位于（111）和（11－1）面上的层错以及两个不全位错，在两个（111）面的面角上，这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为Lomer－Cottrell位错另外，它还带着两片分别位于（111）和面上的层错以及两个不全位错，在两个（111）面的面角上，这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为Lomer－Cottrell位错)111((111)(111)ab1=[101]2b2=[011]2a面心立方结构中，在和面上有两个全位错b1和b2：(111)(111)4.面角位错(L-C位错、压杆位错)b11b12b