6.实际位错组态及观测

实际晶体中位错及观测
面心立方中的正弗兰克位错
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
27
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
面心立方中的负弗兰克不全位错
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
1
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
FCC全位错原子排列示意图 全位错原子排列示意图
A平面 4 3 2 1 <110> B平面
图面为（111）面
2011-10-29
“丢失”原子的平 面（与纸面垂直） 柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
(101)
(101)
面心立方晶体中的肖克莱不全位错，图面（-110）与位错线垂直，层错 在不全位错左侧，小黑点和圆圈代表处于不同（-110）面上的原子的投影
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
16
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
7
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
层错
若在fcc中抽走一层C，则
AB CAB ↓AB CABC ∆ ∆ ∆ ∆▽∆ ∆ ∆ ∆ ∆ 插入一层A，则 A B C A B ↓A↓C A B C ∆ ∆ ∆ ∆▽ ▽△ △ △ 即在“↓”处堆垛顺序发生局部错乱，出现堆垛层错 前者为抽出型层错，后者为插入型层错 可见fcc晶体中的层错可看成是嵌入了薄层密排六方结构
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
14
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
面心立方晶体（ 面心立方晶体（-110）晶面的二维图形 ）
（-110） [112] [111] [112] [001] [111] [110]
[11-2] （111）
肖克莱不全位错
• • M点右侧为完整晶体，密排面 堆垛顺序为ABCABC…… 左侧晶体因滑移引起第四层A原 子沿[1-21]方向滑移了1/3原子 间距，第四层原子的滑移是不 均匀的，中止于晶体中部M处 层错与完整晶体交界处就是不 全位错，其柏氏矢量是 1/3×{a/2× [1-21]}= a/6× [121] 位错线M垂直于纸面的晶面，它与柏氏矢量垂直，是一个刃型的肖克莱不全位 错 这类位错可以在具有堆垛层错的(111)面上滑移，属于可动位错，其滑移可引起 层错面的扩大或缩小 它很难攀移，因为其攀移必需携带整个层错运动 柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
2
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
实际晶体中位错的柏氏矢量 • 柏氏矢量可用数字及符号表示
• fcc晶体，<110>是原子最密排的晶向，此晶向相邻两原子 在坐标轴上的投影为a/2、a/2、0，故单位位错柏氏矢量
r a 2 b = < 110 >, | b |= a 2 2
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
10
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
层错
层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高 产生单位面积的层错所需能量为“层错能” 但层错的影响仅表现在次近邻关系，仅引起很少的点阵畸变，故层错能相 对晶界能（~5×10-4J/cm2）很小，层错能愈小，出现层错的几率愈大 ~5 10 层错的边界即为不全位错
[11-2]
2011-10-29
[110] 柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
15
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
肖克莱（ 肖克莱（Shockley）不全位错 ）
fcc 晶 体 的 （ -110 ） 面 ， 使 A 层 以 上 原 子 相 对 于 C 层 作 滑 移 ， 使 A→B→C→A→B，此时滑移是不均匀的，即滑移中止在晶体内部，这 样就在局部地区形成层错。其与完整晶体的交界区域即为Shockley不全 位错
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
25
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
弗兰克不全位错
正弗兰克不全位错
负弗兰克不全位错
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
26
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
11
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
某些金属和合金的层错能
金属 层错能 /J·cm-2 Ni 4×10-5 Al 2×10-5 Cu 7×10-6 Au 6.6×10-6 Ag 2×10-6 黄铜（Zn的摩 尔分数为0.2 ） 3.5×10-6 不锈纲 1.3×10-6
17
(111)面在(-101)面上的投影
•
• • •
2011-10-29
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
肖克莱不全位错
面心立方晶体中的肖克莱不全位错（图面为（111）面）
（a）不 全位错两 侧的堆跺 层次
（b）不 全位错两 侧原子组 态
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
柏氏矢量可以相加 设b1=a[100]， b2 = [ 1 11] 则 b= b1+b2 =a[100]＋ b2 = [ 1 11] ＋
= a a a [200] + [ 1 11] = [111] 2 2 2 a 2
a 2
本节只讨论面心立方金属中的位错和一些特殊的位 错组态（如不全位错，堆垛层错，扩展位错等）
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
4
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
密排六方的堆垛次序
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
5
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
• 抽出型层错也可以看成是B层原 子沿方向[-211]移动了(a/6)[-211] 距离而造成的
面心立方密排原子面堆垛投影面
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
9
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
插入型层错
• 如果在正常堆垛顺序中插入一层A原子，即出现两层原子发 生错排，称为“插入型层错” A B C A B ↓ A ↓ C A B C A △ △ △ △ ▽ ▽ △ △ △ △ 一个插入型层错相当于两个抽出型层错 面心立方晶体结构中的层错可看成是嵌入了薄层密排六方结构 同理，密排六方结构中的层错可看成是嵌入了薄层的面心立方 结构
• bcc • hcp
r a b = < 111 > 2
| b |=
3 a 2
r a b = < 11 2 0 > | b |= a 3
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
3
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
实际晶体中位错的柏氏矢量
a参考完整晶体 b有缺陷晶体
1点 柏氏矢量b
1点
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
23
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
肖克莱不全位错特征
r （1） b //{111}
（2）
r a 6 b = [121] | b |= a 6 6
垂直于位错线，为纯刃型，也可为纯螺型Fra Baidu bibliotek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
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
24
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
弗兰克（Frank）不全位错 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，不是整个原子面，层 错与完整晶体边界有不全位错，即“Frank位错” • 插入型弗兰克不全位错（叫正弗兰克不全位错） • 抽出型弗兰克不全位错（叫负弗兰克不全位错）
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
13
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
不全位错
除了单位位错以外，晶体中还可能形成一些柏氏矢量小于点 阵矢量的位错
柏氏矢量不是从一个原子到另一个原子位置，而是从原子位置到结点 之间的某一位置，这类位错称为不全位错 即层错区与完整晶体的交界处，为“不全位错” 晶体中往往只在局部区域出现层错，而不贯穿整个晶体，在层错区与完整 晶体的交界处会出现不全位错 面心立方晶体中有两种不同类型的不全位错：肖克莱（Shockley）不全位 错和弗兰克（Frank）不全位错
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
2011-10-29
8
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
抽出型层错
• CA层堆垛次序被破坏出现了层错，相 当于C层（111）原子面垂直下落一个 面间距，使C层原子落在B层位置上， 形成了A和C层原子的弯曲晶面 A B C A B ↓A B C A B C △ △ △ △ ▽ △ △ △ △ △ ︸︸︸︸︸︸︸︸︸︸︸︸︸ FCC 堆垛 HCP 堆垛FCC 堆垛
层错能愈小的金属，出现层错的几率愈大 在面心立方金属中，不锈钢和α黄铜可以见到大量的层错， 而铝则看不到
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
12
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
倾斜堆垛层错的电镜照片
Ni基合金中γ’粒子层错网络的暗场电子衍生衬相
面心立方的堆垛次序
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
6
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
层错
fcc晶体密排面堆垛顺序为ABCABC……以“∆”表示AB、BC、 CA…… 次 序 ， 用 “ ▽ ” 表 示 相 反 次 序 ， 即 BA 、 CB 、 AC…… 则fcc的正常堆垛顺序为∆∆∆…… hcp为∆▽∆▽……
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
堆垛层错 （扩展位错）
4 3 2 1
不全位错
2011-10-29
不全位错
22
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
肖克莱位错的柏氏回路与柏氏矢量
不全位错的 柏氏矢量亦 可通过柏氏 回路的方法 确定，但回 路的起点应 选择在层错 面上
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
1.12 实际晶体中的位错组态
实际晶体中位错的柏氏矢量
简单立方结构中的位错， b 总是等于点阵矢量，即连接点阵中最邻近的两结点的 矢量（单位点阵矢量） 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 （1）b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错” （2）b等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错” （3）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”
<110>
“丢失”原子的平面 （与纸面垂直）
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
20
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
4
3
2 1
不全位错
2011-10-29
不全位错
21
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
中南大学材料科学与工程学院
18
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
A平面上的原子列 滑移面 B平面上的原子列
“丢失”的原子 面
2011-10-29
柏振海，baizhai@mail.csu.edu.cn
19
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
实际晶体中位错及观测
A平面 4 3 2 1 c d B平面