1、（一）完整晶体的塑性变形方式,两种方式： 滑移 孪生,图 外力作用下晶体滑移示意图（微观）,1.晶体在外力作用下的滑移,滑移的可能性（滑移系统）： 在最密排晶面（称为滑移面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行。 晶体滑移的临界分切应力（c） ： 开动晶体滑移系统所需的最小分切应力。,滑移的定义：在外力作用下，一部分相对另一部分（晶面、晶向）的平移。,滑移的结果：塑性变形，表面形成台阶。,图 单晶试棒在拉伸应力作用下的变化（宏观）,（a）变形前,（b）变形后,图2-8 面心立方晶体（111） 孪生示意图,(b)（ ）晶面：孪生过程中（111）晶面的移动情况,(a)孪生面、孪生方向的方位,2.晶体
2、在外力作用下的孪生在外力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定的晶面和晶向发生切变，切变之后，两部分晶体的位向以切变面为镜面呈对称关系。,孪生与滑移的比较,相同之处：对于给定的晶体，其孪生面与孪生方向是确定的；孪生也需要外力在孪生方向上的分切应力大于临界分切应力的力学条件。 不同之处：晶体在孪生过程中位向发生变化，切变量也不一定是孪生晶向上原子间距的整数倍，各层孪生面的切变量与其到孪生共格界面的距离成正比。 孪生与滑移相比较，其临界分切应力要大得多。 晶体中的变形往往是由滑移和孪生两种方式交替进行。特别是滑移系统取向不利于滑移时，往往先通过孪生改变滑移系统的取向，使滑移可以继续进行下去。
3、,（二）完整晶体的理论切变强度,按照完整晶体滑移模型，使晶体滑移所需的临界切应力，即使整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位置时，克服能垒所需要的切应力，晶面间的滑移是滑移面上所有原子整体协同移动的结果，这样可以把晶体的相对滑移简化为两排原子间的滑移，晶体的理论切变强度m为：Gx/a=msin（2x/）=m2x/ 当x很小时，于是，m=G/（2a） 对于简单立方晶体，a=，则m=G/（2）,第二节 线缺陷,线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。 线缺陷是各种类型的位错。 位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方
4、向上尺寸较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。 最简单的位错是刃型位错和螺型位错。,3.2.1 位错的基本概念,1.位错学说的产生 1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度，与实验结果相比相差34个数量级。 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中位错的概念。 泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。 与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。,图 理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑
5、移过程,1939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。 1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。 1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制FR位错源。 50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。,图 刃型位错与螺型位错,2.位错的基本类型,晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。,（1）刃型位错,形成及定义,晶体在大于屈服值的切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF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
6、（或棱位错）。,在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排。 把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。 含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。 位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小 。,刃型位错的概念：,刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图,晶体局部滑移造成的刃型位错,1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。 2)
7、.刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。,图 不同形状的刃型位错,刃型位错的特点：,3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移方向的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移方向互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。 4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。 5).在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的
8、管道，所以刃型位错是线缺陷。,（a）立体图； （b）顶视图 图 螺型位错的原子组态,（2）螺型位错,螺型位错示意图,无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，分右旋和左旋螺型位错； 位错线是直线，与滑移方向平行； 滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面； 位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩； 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。,螺型位错的结构特征,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）既不平行也不垂直于滑移方向，即滑移矢量与位错线成任意角度，这种晶体缺陷称为混合型位错。 混合型位错可分解为刃型位错分量和螺型
9、位错分量。,图 晶体局部滑移形成混合位错,（3）混合位错,图 混合位错的原子组态,（1）柏氏矢量的确定方法 先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。 从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量b。,3.柏氏矢量,有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。,图 刃型位错柏氏矢量的确定,图 螺型位错柏氏矢量的确定,物理意义
10、： 反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累(畸变发生的方向与大小）。 指出了位错滑移后，晶体上下部产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量。 刃型位错：滑移区移动方向垂直位错线，滑移量为一个原子间距； 螺型位错：滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距。 对于任意位错，可据柏氏矢量判断其滑移方向与大小。,（2）柏氏矢量的物理意义及特征,用柏氏矢量可判断位错的类型。 用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。 一条位错线具有唯一的柏氏矢量。若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。 位错具有
11、连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。,柏氏矢量的特征,柏氏矢量 对于柏矢量b沿晶向uvw的位错柏氏矢量的模 柏矢量的模的计算就是矢量模的计算。对于立方晶系：位错的加法按照矢量加法规则进行。,（3）柏氏矢量的表示方法,晶体中所含位错的多少可用位错密度来表示。位错密度定义为单位体积晶体中所含位错线的总长度，其表达式为 若为了简便起见，可把晶体中的位错线视为一些直线，而且是平行地从晶体的一端延伸到另一端，于是位错密度就可被视为垂直于位错线的单位截面中所穿过的位错线数目，即,4.位错密度,图 晶体位错密度和强度关系示意图,5.
12、位错观察,浸蚀法、电镜法,利用浸蚀技术显示晶体表面的位错。 位错蚀坑具有规则的外形，如三角形、 正方形等，且常呈规律分布。 缺点：只能观察表面露头的位错，而 无法观察晶体内部位错；位错密度大时， 蚀坑重叠，无法观察。 只适用于位错密度很低的晶体。,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,位错的基本几何性质(总结),位错是晶体中的线缺陷，它实际上是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排或“错配”。,位错可以看成是已滑移区与未滑移区
13、的边界。,柏氏矢量b是表征位错的最重要参数。根据b和位错线l的相对位向，可将位错分为三类：刃型位错:和l垂直、螺型位错:和l平行、混合位错和l成任意角。,位错的大小决定了位错中心区原子的“错配度”和周围晶体的弹性变形，从而决定了能量的大小。,位错线必须是连续的。它或者起止于晶体表面（或晶界）或形成封闭回路（位错环）或者在结点处和其它位错相连。,单独讨论位错线的正向或柏氏矢量的正向是没有意义的。但是，为了表示位错的性质（刃型位错的正、负，螺型位错的左旋、右旋）需要按人为地规定位错线和柏氏矢量的正向。位错线和b可以同时反向而不影响位错的性质，但如果仅仅改变一个向，则位错的性质便相反。,b的最重要性
14、质是它的守恒性，即流向某一结点的位错线的柏氏矢量之和等于流出该结点的位错线的柏氏矢量之和。由此又可推出，一条位错线只能有一个b。,晶体中的位错环由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环，图中的阴影区是滑移面上一个封闭的已滑移区。显然，位错环各处的位错结构类型也可按各处的位错线方向与滑移矢量的关系加以分析，如A，B两处是刃型位错，C，D两处是螺型位错，其他各处均为混合位错。,3.2 .2 位错的运动,位错的最
15、重要性质之一是它可以在晶体中运动，而晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的力学性能如强度、塑性和断裂等均与位错的运动有关。因此，了解位错的运动的有关规律，对于改善和控制晶体力学性能是有益的。,位错的运动方式有两种最基本形式:即滑移和攀移。,原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。,1.位错的易动性,2.位错的滑移,图 位错的滑移,位错沿滑移面的移动称为滑移,位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。,（a）正刃型位错 （b）负
16、刃型位错 图 刃位错的滑移,刃型位错的滑移过程,当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶，造成晶体的塑性变形。 在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。 位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为示滑移区。,图 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,（a）原始位置； （b）位错向左移动一个原子间距 图 螺型位错滑移,螺型位错的滑移过程,图 螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,在切应力作用下，螺型位错的移动方向是与其柏氏矢量相垂直。对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，所以它不象刃型位错那样具有
17、确定的滑移面，而可在通过位错线的任何原子平面上滑移。如果螺型位错在某一滑移面滑移后转到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移。,图 螺位错的交滑移,图 刃型位错与螺型位错,例： 图中阴影面为晶体的滑移面，该晶体的ABCD表面有一个圆形标记，它与滑移面 相交，在标记左侧有根位错线，试问当刃、螺型位错线从晶体左侧滑移至右侧时， 表面标记发生什么变化？并指出使刃、螺型位错滑移的切应力方向。,由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。,（a）位错环 （b）位错环运动后产生的滑移 图
18、 位错环的滑移,刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可垂直于滑移面发生攀移。 当半原子面下端的原子跳离，即空位迁移到半原子面下端时，半原子面将缩短，表现为位错向上移动，这种移动叫做正攀移。反之叫做负攀移。 位错攀移时伴随着物质的迁移，需要扩散才能实现。因为攀移需要原子扩散，所以较之滑移所需的能量更大。对于大多数金属，这种运动在室温下很难进行。因此，位错攀移时需要热激活，也就是比滑移需要更大的能量。 通常称攀移为“非守恒运动”，滑移则称为“守恒运动”。,3.位错的攀移,图 位错的攀移,4、运动位错的交割,当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他位错交割。位错交割时会发生相互作用，这对材
19、料的强度的产生有重要意义。,对于在滑移面上运动的位错来说，穿过此滑移面的其它位错称为林位错。林位错会阻碍位错的运动，但是若应力足够大，滑动的位错将切过林位错继续前进。位错互相切割的过程称为位错交割或位错交截。 一般情况下，两个位错交割时，每个位错上都要新产生一小段位错，它们的柏氏矢量与携带它们的位错相同，它们的大小与方向决定于另一位错的柏氏矢量。 当交割产生的小段位错不在所属位错的滑移面上时，则成为位错割阶，如果小段位错位于所属位错的滑移面上，则成为位错扭折。,刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，而扭折部分则为螺型位错； 螺型位错中的扭折和割阶线段，由于均与柏氏矢量相垂直，故均属于刃型位错。,所有
20、的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型也可是螺型的。 扭折与原位错线在同一滑移面上，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力，而且扭折在线张力作用下易于消失。 割阶则与原位错线不在同一滑移面上，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，通常称此为割阶硬化。,(1) 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割,图 两个柏氏矢量互相平行刃型位错交割,位错扭折 螺型位错,位错扭折 螺型位错,几种典型的位错交割,(2) 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割,图 两个柏氏矢量互相垂直刃型位错交割,位错割阶 刃型位错,两根互相垂直的刃型位错的交割 （柏氏矢量互相平行）,两根互相垂直的刃型
21、位错的交割 （柏氏矢量互相垂直）,(3) 刃型位错与螺型位错的交割,图 刃型位错与螺型位错的交割,位错割阶 刃型位错,位错扭折 刃型位错,图 刃型位错与螺型位错的交割,(4) 螺型位错与螺型位错的交割,图 螺型位错与螺型位错的交割,位错割阶 刃型位错,位错扭折 刃型位错,关于位错的运动（总结）,运动方式：刃型位错可以滑移，也可以攀移。螺型位错只能滑移，不能攀移。混合位错可以滑移，也可以一面滑移（螺型分量滑移）一面攀移（刃型分量攀移） 运动面：滑移面是由l和b决定的面。对刃位错和混合位错，它是唯一的，对螺型位错则不唯一，包含位错线的任何平面都可以是滑移面。刃型位错攀移时运动面就是垂直于滑移面的半原子面，或者说，垂直于b的晶面。 运动方向：不论滑移、攀移或是既滑移又攀移，位错线的运动方向v是垂直于位错线的。 运动量：不论位错作何种运动，当位错扫过单位面积的运动面时，运动面两边的晶体的平均相对位移量为 b/A，这里 A是整个运动面的面积。,
