材料微觀結(jié)構(gòu)第四章晶體中的位錯與層錯2

1、上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧l根據(jù)原子的滑移方向和位錯線取向的幾何根據(jù)原子的滑移方向和位錯線取向的幾何特征不同，位錯可以分為哪幾種類型？都特征不同，位錯可以分為哪幾種類型？都是什么樣的？是什么樣的？l什么是柏氏矢量什么是柏氏矢量b？能量最穩(wěn)定的能量最穩(wěn)定的b是怎樣是怎樣的？的？l位錯按照位錯按照b是否為點陣周期的整數(shù)倍可以分是否為點陣周期的整數(shù)倍可以分為哪幾種位錯，哪一個能量上最穩(wěn)定？為哪幾種位錯，哪一個能量上最穩(wěn)定？4.3.3 全位錯分解、層錯、擴展位錯全位錯分解、層錯、擴展位錯與與全位錯全位錯的分解密切相關(guān)的分解密切相關(guān)不全位錯不全位錯（層錯和完整晶體的邊界）位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)具有很高的能量

2、具有很高的能量,因此它是不穩(wěn)定的因此它是不穩(wěn)定的.在在實際晶體中實際晶體中,組態(tài)不穩(wěn)定的位錯可以轉(zhuǎn)化為組組態(tài)不穩(wěn)定的位錯可以轉(zhuǎn)化為組態(tài)穩(wěn)定的位錯態(tài)穩(wěn)定的位錯,這種位錯之間的相互轉(zhuǎn)化稱為這種位錯之間的相互轉(zhuǎn)化稱為位錯反應(yīng)位錯反應(yīng).位錯反應(yīng)的結(jié)果是降低體系自由能位錯反應(yīng)的結(jié)果是降低體系自由能.位錯反應(yīng)的可能性位錯反應(yīng)的可能性(1) 幾何條件：b前=b后 反應(yīng)前后分矢量之和必須相等。(2) 能量條件： b2前b2后 位錯反應(yīng)后應(yīng)變能必須降低，此是反應(yīng)驅(qū)動力。以以a/2-110a/6-12-1+a/6-211為例為例(1) 幾何條件 反應(yīng)前：a/2-110反應(yīng)后：a/6-12-1+a/6-211=a/

3、6-330=a/2-110b前=b后(2) 能量條件 反應(yīng)前： b2前=a/2SQRT(-1)2+12+02)2=a2/2反應(yīng)后： b2后=a/6SQRT(-1)2+22+(-1)2)2 + a/6SQRT(-2)2+12+12)2 =a2/3b2前b2后該位錯反應(yīng)能夠進行1.FCC中的層錯與擴展位錯中的層錯與擴展位錯(1)FCC層錯的基本類型，如層錯的基本類型，如Al, Cu, Ag, AulFCC金屬密排面金屬密排面111正常堆垛順序是正常堆垛順序是ABCABCABCl如果不按正常順序出現(xiàn)如果不按正常順序出現(xiàn)ABCABABC或或ABCABACABC，即少，即少了了C或多了或多了A，出現(xiàn)錯排

4、，出現(xiàn)錯排，就會有層錯。就會有層錯。1.抽出型層錯抽出型層錯(內(nèi)稟型內(nèi)稟型)2.插入型層錯插入型層錯(外稟型外稟型)上面的上面的A層和下層和下面的面的B層崩塌向中心擠壓層崩塌向中心擠壓：從別處擴散來從別處擴散來的許多溶質(zhì)原子，并形成了的許多溶質(zhì)原子，并形成了一個多余的一個多余的A原子片層，并塞原子片層，并塞進了正常順序的進了正常順序的BC之間，使之間，使得中央部分出現(xiàn)了得中央部分出現(xiàn)了BAC這樣這樣的三層錯排。的三層錯排。圖圖48(b)(c)均標(biāo)有均標(biāo)有“”，相對于其左右正，相對于其左右正常排列的常排列的ABCABC來說，來說，顯然發(fā)生了不全位錯，稱顯然發(fā)生了不全位錯，稱為為Frank不全位錯

5、不全位錯，為純?nèi)行?，為純?nèi)行臀诲e。位錯。通過密排面原子的定向切變滑通過密排面原子的定向切變滑移，也能改變密排面的正常排移，也能改變密排面的正常排列順序。切變滑移量列順序。切變滑移量b=1/6，是為，是為。如圖。如圖4-8(d)所示，把所示，把(-111)面上任一層原子中的各面上任一層原子中的各C位位置的原子均沿置的原子均沿-211方向滑移方向滑移1/6-211距離達到相應(yīng)的距離達到相應(yīng)的A位置，位置，此此C層以上各層原子作順序滑移：層以上各層原子作順序滑移：ABCA，這樣便得到了，這樣便得到了ABCABABCABCABC順序，順序，和上述抽出和上述抽出C層的結(jié)果是相同的。層的結(jié)果是相同的。3.

6、 孿晶孿晶ABCAB BACBA可以看出以可以看出以C為中心，左右側(cè)的排列是鏡向?qū)ΨQ為中心，左右側(cè)的排列是鏡向?qū)ΨQ的，稱為孿晶，又叫反映型層錯的，稱為孿晶，又叫反映型層錯圖圖4-9 面心立方晶體中面心立方晶體中111面面反映孿晶反映孿晶的的110投影投影圖圖 沿著孿晶界面，沿著孿晶界面，孿晶的兩部分完全密孿晶的兩部分完全密合，最近鄰關(guān)系不發(fā)合，最近鄰關(guān)系不發(fā)生任何改變，只有次生任何改變，只有次近鄰關(guān)系才有變化，近鄰關(guān)系才有變化，引入的原子錯排很小，引入的原子錯排很小，稱共格孿晶界面。孿稱共格孿晶界面。孿晶界面的能量約為層晶界面的能量約為層錯能之半。錯能之半。 l若晶體以全位錯b=a/2-101

7、向右滑移，則C層原子應(yīng)該從左C到右C，需要越過一個“脊”，能量較高。l若從左C右下方A右C，分兩步走，也可達到同樣目的。l即全位錯分解為兩個不全位錯：a/2-101a/6-211+a/6-1-12l從幾何條件上看：從幾何條件上看： a/6-211+a/6-1-12 a/6-303=a/2-101lb前前=b后后l從能量上看，從能量上看，la/2-1012a/6-2112+a/6-1-122l即即a2/2a2/6+a2/6，也是可行的。，也是可行的。a/2-101a/6-211+a/6-1-12l由圖可知，由圖可知，a/6-211和和a/6-1-12兩個不全位錯之間的兩個不全位錯之間的夾角為夾角

8、為60度，它們之間有度，它們之間有一斥力，因相斥而分開，中一斥力，因相斥而分開，中間夾著一片層錯，兩不全位間夾著一片層錯，兩不全位錯加它們中間的層錯，便是錯加它們中間的層錯，便是。l兩個不全位錯之間的寬度兩個不全位錯之間的寬度d擴展位錯擴展位錯-通常把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通常把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)稱為擴展位錯錯組態(tài)稱為擴展位錯照片照片61Nimonic高溫合金高溫合金基體中的擴展位錯基體中的擴展位錯（a）BF（b）220/660WBDF照片照片9Ni基基(6.7%)超合金中的擴展位錯超合金中的擴展位錯位錯從位于位

9、錯從位于A、B、C處的源出發(fā)，沿處的源出發(fā)，沿110方向擴展方向擴展l層錯給予兩個不全位錯一個吸力層錯給予兩個不全位錯一個吸力l不全位錯又存在一個斥力不全位錯又存在一個斥力kdbGbF821平衡后，決定了擴展位錯寬度平衡后，決定了擴展位錯寬度G為材料切變模量；為材料切變模量；為層錯能；為層錯能；k是一個決定于分解反應(yīng)前全位錯類型是一個決定于分解反應(yīng)前全位錯類型的常數(shù)，的常數(shù)，F(xiàn)= 時，獲得平衡的擴展位錯寬度時，獲得平衡的擴展位錯寬度d:kbGbd821)cos221 (121kn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，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

10、距縮小，這相當(dāng)于給予兩個不全位錯一個吸力，數(shù)值等于層錯的表面張力這相當(dāng)于給予兩個不全位錯一個吸力，數(shù)值等于層錯的表面張力 （即層錯（即層錯能）能） kbGbd821(2) 擴展位錯與束集擴展位錯與束集 當(dāng)擴展位錯區(qū)遇到障礙當(dāng)擴展位錯區(qū)遇到障礙(雜質(zhì)原子、第二相粒子、位錯林雜質(zhì)原子、第二相粒子、位錯林等等)，這些區(qū)域能量升高，擴展位錯在此處寬度縮小，甚至成，這些區(qū)域能量升高，擴展位錯在此處寬度縮小，甚至成為節(jié)點，稱為為節(jié)點，稱為，如圖，如圖C點。此處原來分解了的兩個不全點。此處原來分解了的兩個不全位錯重新合并成為全位錯。位錯重新合并成為全位錯。形成束集所需之能量形成束集所需之能量1.不全位錯間距

11、縮小2.束集附近位錯形成弧線增加了應(yīng)變能3.因為位錯線增長而增加的能量不同金屬的擴展位錯的平衡寬度不同，束集能也各異，夏克和西格測得鋁和銅的束集能是：Al: 刃=0.21eV 螺=0.11eVCu: 刃=3.9eV 螺=0.84eV(3) 擴擴展展位位錯錯與與交交滑滑移移擴展位錯束集“2L0”長的位錯到另一個面上滑移和擴展在交滑移過程中，相應(yīng)于在交滑移過程中，相應(yīng)于(a)圖狀態(tài)所需圖狀態(tài)所需之激活能為：之激活能為：E=Ec+2L0E0lEc為束集能，E0為單位長度擴展位錯合并成全位錯所需之能量。全位錯長度達不到2L0不能在新滑移面上運動。這正好說明了宏觀實驗時達不到臨界切應(yīng)力就不能開始滑移的現(xiàn)

12、象。l擴展位錯的交滑移比一般全位錯的交滑移要困難得多。金屬層錯能愈低，擴展位錯寬度愈大，束集愈困難，金屬層錯能愈低，擴展位錯寬度愈大，束集愈困難，交滑移愈難。反之層錯能愈高，易于交滑移。交滑移愈難。反之層錯能愈高，易于交滑移。l由此可以解釋FCC金屬形變過程中的許多現(xiàn)象。l例如奧氏體不銹鋼，層錯能很低，交滑移困難，使得即使在大變形量下，位錯也只局限在滑移面上。l鋁的層錯能很高，位錯易于通過交滑移，使大部分螺位錯滑移到相交的滑移面上，排列成小角晶界。晶界和相界的襯度晶界和相界的襯度 l等厚條紋襯度不只出等厚條紋襯度不只出現(xiàn)在楔形邊緣等厚度現(xiàn)在楔形邊緣等厚度發(fā)生變化的地方，兩發(fā)生變化的地方，兩塊晶

13、體之間傾斜于薄塊晶體之間傾斜于薄膜表面的界面上，例膜表面的界面上，例如晶界、孿晶界和相如晶界、孿晶界和相界面，也常?？梢杂^界面，也常?？梢杂^察到。察到。晶界和相界的襯度晶界和相界的襯度l這是因為此類界面兩側(cè)的晶體由于位向不同，或者還這是因為此類界面兩側(cè)的晶體由于位向不同，或者還由于點陣類型不同，一邊的晶體處于雙光束條件時，由于點陣類型不同，一邊的晶體處于雙光束條件時，另一邊的衍射條件不可能是完全相同的，也可能是處另一邊的衍射條件不可能是完全相同的，也可能是處于無強衍射的情況，那么這另一邊的晶體只相當(dāng)于一于無強衍射的情況，那么這另一邊的晶體只相當(dāng)于一個個“空洞空洞”，等厚條紋將由此而產(chǎn)生。，等厚

14、條紋將由此而產(chǎn)生。l當(dāng)然，如果傾動樣品，不同晶粒或相區(qū)之間的衍射條當(dāng)然，如果傾動樣品，不同晶?；蛳鄥^(qū)之間的衍射條件會跟著變化，相互之間亮度差別也會變化，因為那件會跟著變化，相互之間亮度差別也會變化，因為那另一邊的晶體畢竟并不是真正的孔洞。另一邊的晶體畢竟并不是真正的孔洞。 條紋襯度特征比較條紋襯度特征比較界面條紋界面條紋平行線平行線 非直線非直線 間距不等間距不等孿晶條紋孿晶條紋平行線平行線 直線直線 間距不等間距不等層錯條紋層錯條紋平行線平行線 直線直線 間距相等間距相等2. BCC中的層錯與擴展位錯中的層錯與擴展位錯(1) BCC中的孿晶：孿生面是112，孿生方向是將(1-10)面躺平，原

15、子在(1-10)面上的投影如下圖所示，“”和“”分別代表上下兩層原子。圖中由左上指向右下方的實線是(112)面在(1-10)面上的投影跡線。BCC(112)面各原子層的堆垛順序是：A1A2B1B2C1C2 A1A2B1B2C1C2。 每兩個相鄰的每兩個相鄰的(112)面的間距為面的間距為a/6112，但彼此相對位移一個矢量，但彼此相對位移一個矢量，此矢量在此矢量在11-1和和1-10方向的分量分別為方向的分量分別為a/611-1和和a/21-10。下。下圖表示的是以圖表示的是以C2表示的表示的(112)為鏡面，為鏡面，(1-10)面的原子沿面的原子沿11-1方向滑方向滑移移1/611-1或沿反

16、方向滑移或沿反方向滑移1/3-1-11而形成的。而形成的。孿晶的切變?yōu)椋簩\晶的切變?yōu)椋?1123 11132111261116aaaa或這和莫特1951年在-Fe中的觀察結(jié)果一致。(2) BCC全位錯的分解與層錯全位錯的分解與層錯BCC中全位錯的分解中全位錯的分解lBCC金屬的滑移方向是，全位錯柏氏矢量為a/2。l滑移面有三種類型110(3個同族面)、112(3個)和123(6個)，它們都包含方向。這些面都 會相交于一個方向，所以BCC會經(jīng)常出現(xiàn)交滑移。l電鏡中會經(jīng)?？吹讲y狀的滑移線，這說明層錯能很高，擴展位錯寬度d很小，一般觀察不到。至今未見這方面的報道。BCC中還有一種次短全位錯中還有一

17、種次短全位錯a111 21112100aaa110010100100111 21112aaaaaa若按下式分解：容易計算反應(yīng)前后的能量分別為a2和3a2/2，能量升高，不可取。但下述反應(yīng)可以進行：BCC中的全位錯存在著分解的可能性中的全位錯存在著分解的可能性l即它的，晶體單向壓縮和同一晶向拉伸時可觀察到不同的滑移面。這說明在某一滑移面上沿某一方向運動所需之切應(yīng)力與在此滑移面上沿相反方向運動所需之切應(yīng)力是不同的。由此推測BCC金屬中全位錯芯區(qū)的原子弛豫狀況是不對稱的。這種位錯芯區(qū)弛豫不對稱，說明在一定外力條件下，全位錯仍然可能分解。BCCa/2全位錯的分解全位錯的分解l在a/2全位錯的諸多可能分

18、解中，從能量上考慮應(yīng)是形成a/6不全位錯的那些分解。因為從能量上考慮，這樣的反應(yīng)是可以自動進行的。222212512343111611131112aaaaaaaBCC中中a/2型全位錯的分解，主要結(jié)論如下：型全位錯的分解，主要結(jié)論如下：l若a/6沿112擴展，將形成如左圖所示的孿晶薄層。這時的領(lǐng)先位錯為a/311-1，此方向正好是孿生的逆方向，原子錯排嚴(yán)重，層錯能很高，分解將是不穩(wěn)定的。若全位錯平行于若全位錯平行于111，則為螺位錯，分解可，則為螺位錯，分解可按下式進行：按下式進行：三個a/6111位錯分別擴展到三個相交的112面上，如圖(a)(b)，此時分解后的位錯組態(tài)極不穩(wěn)定，以致常轉(zhuǎn)成非

19、對稱分布，如圖(c)。1116111611161112aaaa全位錯全位錯a/2111在在110上運動，可以通過下上運動，可以通過下述反應(yīng)完成：述反應(yīng)完成：1108112411081112aaaa321bbbbBCC中的層錯中的層錯lBCC完整晶體的112堆垛順序為A1A2B1B2C1C2A1A2，有時也記作ABCDEFAB，當(dāng)112堆垛順序發(fā)生錯排時，便形成層錯，分三種情況：第一種情況第一種情況參看圖4-11(c)，正常排列順序中，若C1層上面的晶體相對下面晶體作a/611-1或a/3-1-11位移，便產(chǎn)生內(nèi)稟層錯，如圖4-14(a),其順序是A1A2B1B2C1C2C1C2A1A2B1B2

20、C1C2，這相當(dāng)于正常順序中插進C1C2兩層。而C2C1C2正好是一個三原子層的薄導(dǎo)孿晶。這相當(dāng)于FCC中的插入型層錯。第二種情況第二種情況參看圖4-14(b)，若正常排列中某C1的原子層作a/311-1或a/6-1-11滑移，此時C1層變成了A1層，以后各層順序位錯a/311-1或a/6-1-11，就得到圖4-14(b)的新排列：C1C2A1A2B1B2A1A2B1B2C1C2，這相當(dāng)于正常順序中抽出了C1C2，其結(jié)果是形成了四層層錯A1A2B1B2，這和FCC的抽出型層錯相當(dāng)。第三種情況第三種情況參看圖4-11(d)，這是BCC層錯的特例，也是典型的BCC孿晶排列。形成過程是含中間的C2的上半部各層