第3章 晶体缺陷(3)-位错的运动与弹性性质

（1）柯氏气团：通常把溶质原子与位错交互作用后 ，在位错周围偏聚的现象成为柯氏气团；气团的形成对 位错有钉扎作用，是固溶强化的原因之一；当溶质原子 分布在位错周围时使位错的应变能下降，这样位错的稳 定性增加了，位错由易动变得不容易移动，使晶体的塑 性变形抗力（屈服强度）提高。
（2）空位与位错也会发生交互作用，其结果是使位 错发生攀移，这一交互作用在高温下显得十分重要，因 为空位浓度是随温度升高呈指数关系上升的。
②应力
外加应力对位错有促进作用，但切应力是无 效的，只有正应力才会协助位错实现攀移；压应 力有助于正攀移，拉应力有助于负攀移。
二、位错运动的交割
1、位错交割的含义
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。
第三章 晶体缺陷
引 言 晶体缺陷概述及类型 第一节 点缺陷
第二节 位错-线缺陷
第三节 表面及界面
第二节 位 错
2.1 位错的基本类型和特征 2.2 位错的运动与弹性性质 2.3 实际晶体中的位错
2.2 位错的运动与弹性性质
一、位错运动的方式 二、位错运动的交割 三、位错的弹性性质 四、位错与其他缺陷的交互作用
（2）刃位错的应力场
图
刃位错周围的应力场
刃位错的应力场的特点：
同时存在正应力分量与切应力分量，而且各应力分 量的大小与G和b成正比，与r成反比。 各应力分量都是ｘ，ｙ的函数，而与ｚ无关。这表 明在平行与位错的直线上，任一点的应力均相同。 在滑移面上，没有正应力，只有切应力，而且切应 力τxy 达到极大值。 正刃型位错的位错滑移面上侧为压应力，滑移面下 侧为拉应力。 x＝±y时，σyy，τxy均为零，说明在直角坐标的两 条对角线处，只有σxx。
位错扭折 刃型位错
图 螺型位错与螺型位错的交割
三、位错的弹性性质
1、位错的应力场
位错的弹性性质是位错理论的核心与基础， 它探讨的是位错在晶体中引起的畸变的分布及其 能量变化。
位错在晶体中的存在使其周围原子偏离平衡 位置而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。 在讨论位错的弹性应力场的基础上，可推算 出位错所具有的能量、位错的作用力、位错与晶 体其它缺陷间交互作用等问题。
图 位错的连续介质模型 （a）螺位错（b）刃位错
（1）螺位错的应力场
螺型位错周围只有一个切应变：γθz＝b/2πr 相应的各应力分量分别为
用直角坐标表示
螺位错的应力场的特点：
只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明 螺型位错不引起晶体的膨胀和收缩。 螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成 反比），而与θ，z 无关。只要r一定，τθz就为 常数。因此，螺型位错的应场是轴对称的，即与位 错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错 距离的增大，应力值减小。 r→0时，τθz→∞，显然与实际情况不符，这 说明上述结果不适用位错中心的严重畸变区。
2、位错与其它位错的交互作用
（1）位错的应力场对其他位错也产生一个作 用力，使位错发生运动，以降低体系的自由能。
（2）同一滑移面上两根平行刃型位错的互相 作用也与螺型位错一样，同号位错互相排斥，异 号位错互相吸引。
（3）位错墙。一系列同号位错在垂直于滑移 面的方向排列起来，上方位错的拉应力场与下方 位错的压应力场相重叠而部分抵消。
通常把半原子面向上移动称为正攀移，半原子面 向下运动称为负攀移。
割阶指攀移时位错线上的台阶。
wk.baidu.com
（a）正攀移 （半原子面缩短）
（b）未攀移
（c）负攀移 （半原子面伸长）
图
刃位错攀移示意图
（3）影响位错攀移的因素 ①温度
攀移是通过原子的扩散而实现的（而滑移不 涉及原子的扩散）；由于空位的数量及其运动速 率对温度十分敏感，因此位错攀移是一个热激活 过程。
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；扭折在线张力作用下易消失。 割阶与原位错线不在同一滑移面上，除攀移外不能随 主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，称割阶硬化。
3、几种典型的位错交割
两根互相垂直的刃型位错的交割 （柏氏矢量互相垂直）
(1) 两个柏氏矢量互相垂直的刃型位错交割
一、位错运动的方式
位错在晶体中运动有两种方式：滑移 和攀移，其中滑移最为重要。
攀移 滑移
1、位错的滑移
图
刃型位错与螺型位错的滑移
图 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程
图 螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程
位错的滑移是在切应力作用下进行的，只 有当滑移面上的切应力分量达到一定值后位错 才能滑移。
（a）位错环
（b）位错环运动后产生的滑移
图 位错环的滑移
2、位错的攀移
（1）攀移的概念与本质
攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下移 动，于是位错线就跟着向上或是向下运动，因此攀移 时位错线的运动方向正好与柏氏矢量垂直。
只有刃型位错才能发生攀移运动，螺型位错是不 会攀移的。
（2）攀移的分类及割阶概念
保持位错线弯曲所需的切应力与曲率半径成反比。
4、作用在位错上的力
刃型位错的切应力方向垂直与位错线； 螺型位错的切应力方向平行于位错线； 使位错攀移的力为正应力。
位错滑移时的力
F b
位错攀移时的力
F b
力的方向与位错线运动方向一致，垂直于位错线方向。
四、位错与其他缺陷的交互作用
1、位错与点缺陷的交互作用
3、位错的线张力
位错的总能量与位错线的长度成正比，因此为降低能量， 位错线有缩短变直的倾向。故在位错线上存在一种使其变 直的线张力Ｔ。这个线张力在数值上等于位错应变能。
b ds 2T sin
d 2
图
位错的线张力
ds rd d sin 2 2 Gb2 T (弯曲位错 0.5) 2 Gb 2r
位错互相切割的过程称为位错交割或位错 交截。
2、割阶与扭折
两位错交割时，每个位错上都要产生一个新的小段位 错。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，扭折部分为螺型 位错。
螺型位错的割阶与扭折均为刃型位错。
位错割阶 刃型位错
图
两个柏氏矢量互相垂直刃型位错交割
(2) 两个柏氏矢量互相平行的刃型位错交割
位错扭折 螺型位错
位错扭折 螺型位错
图
两个柏氏矢量互相平行刃型位错交割
(3) 刃型位错与螺型位错的交割
位错割阶 刃型位错
图 刃型位错与螺型位错的交割
位错扭折 刃型位错
(4) 螺型位错与螺型位错的交割
位错割阶 刃型位错
类型 柏氏向量 位错线 晶体 运动方向 滑移方向 与b一致 与b一致 与b一致 切应力 方向 与b一致 与b一致 与b一致 滑移 面 个数 唯一 多个
刃型位错 ⊥于位错线 ⊥于位错 线本身 螺型位错 ‖于位错线 ⊥于位错 线本身 混合位错 与位错线成 ⊥于位错 一定角度 线本身
螺位错的交滑移
由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分， 因此，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。
本节重点与难点
1、位错的运动——滑移与攀移； 2、位错运动的交割； 3、位错的割阶与扭折； 4、位错与点缺陷、其它位错的作用； 5、位错的应力场、应变能、线张力、作 用在位错上的力。
2、位错的应变能
（1）位错能的概念
位错线周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状 态，高出的能量称为位错的应变能，简称位错能。
（2）位错是不平衡的缺陷，且具有尽量变直缩短的趋势 （3）位错能的计算公式（单位位错线的位错能）
E Gb
2
其中α的值可以取0.5-1.0 ， 螺型位错α取下限0.5， 刃型位错取上限1.0。