晶体缺陷7 实际晶体中的位错

扩展位错比全位错交滑移困难得多
金属层错能愈低，扩展位错宽度愈大，束集 愈困难，交滑移愈难。反之层错能愈高，易 于交滑移。
• 由此可以解释FCC金属形变过程中的许多现象。 • 例如奥氏体不锈钢，层错能很低，交滑移困难，使 得即使在大变形量下，位错也只局限在滑移面上。 • 铝的层错能很高，位错易于通过交滑移，使大部分 螺位错滑移到相交的滑移面上，排列成小角晶界。
C B α δ β D γ A
在汤普森记号中的所有向量均很容易计算出来。例 如在(111)面上柏氏矢量为a/2(-1 1 0)的全位错分解 ，可简便写为：
BC B C
扩展位错
a a a [110] [21 1] [12 1] 2 6 6
fcc晶体中的位错线在切应力作用下，沿着（111）[ 1，0，-1 ] 滑移系在B层与C层之间滑移，原子由C移至C′有两种途径。
HCP：{111}面按ABAB顺序排列形成
FCC：{111}面按ABCABC顺序排列形成
层错：实际晶体中晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的缺陷。
1. 滑移
使任一层(111)晶面滑移1/6<112>，移至其相邻晶
[110] [111]
面相应的位置上，该层以上的原子面也滑移同样大小的矢量
A B
[110]
1 6
CA C BC
[111]
[11 2]
B A
C
1 6
[11 2]
B
[112]
⊙ [110] [112] ABCABC…… → ABCBCA…… 抽出型层错 △△▽△△
A
2. 抽去一层
d hkl
a h2 k 2 l 2
a 3
抽去A2层后，其上各层晶面垂直下落一个(111）面的面 间距，相当于发生1/3[111]的滑移，结果在C1和B2层之 间形成层错或同时加进两层(111)面也会形成同样层错。
a 6
a [112]+ 6 [21 1]时，两个不全位错之间夹角为60°，
Gb1b 2 a ； 当一个全位错 [101] 2 πd 2
故它们之间的作用力为
F=
此系斥力。 由于两个不全位错之间为一堆垛层错，层错γ如同表面张力，有促进层错区收缩 的作用，从而使两个不全位错间产生引力。当F=γ时，两个不全位错到达平衡距 离，令d=ds，则
Thompson四面体
利用四面体和符号表示滑移面、滑移方向和b
罗-罗向量
四面体的六个棱，即由顶点A,B,C,D（罗马字母）连 成的向量——12个全位错的柏氏矢量<110>
1 DA [101 ] 2 1 DB [011 ] 2 1 DC [110] 2 1 AB AD DB [ 1 10] 2 1 AC AD DC [01 1 ] 2 1 BC BD DC [10 1 ] 2
7.2 实际晶体中的位错
全位错 在简单立方结构中的位错，其 b 总是等于点阵 矢量。实际晶体中根据柏氏矢量的不同，可把 位错分为以下几种形式 b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。 b 等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错” b 不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位 错”或称“部分位错”
典型晶体结构中单位位错的柏氏矢量
Cu: γ刃=3.9eV γ螺=0.84eV
扩展位错的交滑移：首先束集成螺型位错，交滑 移，重新分解为扩展位错
_ a a a [110 ] [211] [12 1] 2 6 6
在实际晶体中，由于扩展位错的形成，
螺位错的交滑移更加困难，必须经束集 后才能进行，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。
C B α δ β D γ A
希-希向量 6个压杆位错的柏氏矢量
A A [1 1 1]
1 1 1 [ 1 1 2 ] [1 1 0] BA 6 6 3 1 1 [0 1 1] CA 6 3 1 1 [101] DA 6 3 1 1 [ 1 01] CB 6 3 1 1 [011] DB 6 3 1 1 [110] DC 6 3 1 3
Ni基(6.7%)超合金中的扩展位错 位错从位于A、B、C处的源出发，沿[110]方向扩展
层错能
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，这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 （即层错能）
• 层错给予两个不全位错一个吸力 • 不全位错又存在一个斥力
平衡后，决定了扩展位错宽度
7.1 位错反应
由1个位错分解成几个新位错或由几个位错合成1个 新位错的过程
两个异号刃型位错可能自毁
位错反应的两个判据
几何条件(b守恒性)：反应后诸位错的b之和等 于反应前诸位错的b之和,即
能量条件(能量降低)：反应后各位错的总能量 应小于反应前各位错的总能量
例如，FCC的全位错分解为Shockley分位错：bb1+b2 1 1 1 反应式： [ 1 10 ] [ 2 11] [ 1 2 1 ] 2 6 6 n m 1 1 几何条件: b' j b1 b2 [ 3 30] [ 1 10] b bi 符合 6 2 j 1 i 1 计算能量：
Gb1b2 F 8kd
G为材料切变模量；γ为层错能；k是一个决定于分解反应前全位错类型 的常数，F= γ时，获得平衡的扩展位错宽度d:
Gb1b2 d 8k
1 2 2 (1 cos ) k 1 2
层错能与扩展位错宽度的关系
Gb1b2 d 8k
成反比： γ大，d小；γ小，d大。
1）b a [121] | b | 6 a 6 6 。
2）刃型 螺型 混合型
螺型
混合型
3）可滑移，不能攀移，即可在具有堆垛
层错的{111}面上滑移，引起层错面 的扩散或收缩，但不能离开层错面。
4）不能交滑移，因为位错线沿<112>方
向，不是沿两个{111} 面（主滑移面 和交滑移面）的交线<110>方向。
3. 插入一层，或相间抽出两侧
层错能
形成层错几乎不产生点阵畸变，但破坏晶体对称性 和周期性，使电子发生反常衍射效应，使晶体能量 升高。由层错引起的能量增量叫层错能。层错能越 高，层错出现几率越低。
分位错
若堆垛层错发生在部分区域，则层错边缘将存 在位错(不全位错)
B
B △ A △ B △ A △ C △ B △ A A △ C
一是由C直接移至C′（即全位错的移动），需提供较高能量。另是 先从C经一低低谷至A，再滑至C′位置（相当于肖克莱不全位错的 滑动），后者平坦，易进行，但两者效果相同，这个过程可表示为
扩展位错：通常把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称为扩展位错
a/6[-211]和a/6[-1-12]两个不全位错之间的夹角为60度，它们之间有一斥力，因 相斥而分开，中间夹着一片层错，两不全位错加它们中间的层错，便是扩展位错 。 两个不全位错之间的宽度d―扩展位错宽度
A
△ C △
A
A
C B A
△ C
A △ B
△
B △ A
B △ A
△
A
抽出型层错
插入型层错
△
B
△ A
Frank分位错
在fcc晶体中插入或抽走一层（111）面，就
会形成堆垛层错。若插入或抽走的只是一部
分，层错与完整晶体边界即所谓“Frank位错
”。其柏氏矢量为b=1/3<111>
该矢量小于FCC晶体中〈110〉方向上的原子
A→B→C→A→B，若滑移中止在晶体内部，则已
滑移区与未滑移区的边界为Shockley分位错。
[110] [111] [111] [110]
CA C B B A C B A
1[112] 6
A C B C B A
[112]
⊙[110]
⊙[110]
刃型
[112]
结构
面心立方晶体中的单位位错
滑移
Shockley不全位错特点
面角位错
在 (111) 和 (111) 面上有两个全位错b1和b2
b1= 2 [101]
1 反应前： b b i 1 2
m 2 i 2
n 2 j 2 1 2 2
1 1 1 0 2
2 2 2
2 2
2
6 6 1 反应后： b' b b 6 6 3 j 1
间距, 所以是不全位错
抽出型Frank分位 错（负）
插入型Frank分位 错（正）
Frank不全位错特点
3 [111], | b | a b与层错面和位错线垂直，故纯刃型 1） b a 3 3 2）b不是FCC晶体滑移方向，故不能滑移，只能攀移
攀移
Shockley分位错
沿(111)面，使A层以上原子相对于C层作滑移即
C B α δ β D γ A
不对应的罗-希向量
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——24个 Shockley分位错的柏氏矢量<112>
2 1 D DC CB 3 2
D
α (a)
B C
(d) δ
γ
β (b)
D
(c) 21 1 1 ] [110] [ 1 01] [121 D A 32 4 6 1 1 1 1 D [211 ], D [112], A [ 1 1 2 ], A [ 2 1 1 ] 6 6 6 6 1 1 1 1 A [ 1 2 1 ], B [1 1 2], B [1 2 1 ], B [2 1 1 ] 6 6 6 6 1 1 1 C [ 2 1 1], C [ 1 2 1], C [ 1 1 2] 6 6 6