位错和缺陷之间的相互作用【课堂资料】

• PP′可随AB滑移，但有阻 碍
• 位错CD上交截线段QQ‘与b2 垂直，为扭折，在线张力下 可被拉直
(a) 交截前; (b) 交截后
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两根螺型位错的交截
值得注意的一种，如图所示
螺错L1向右运动，遇到与之垂直的 螺错L2发生交截
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两根螺型位错的交截
在外力足够大且温度比较高，并且此割阶长度足够小（1~2 个原子间距），此割阶可以通过攀移与主位错一道运动， 并在割阶后面留下一连串空位
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铃木气团
• 溶质原子与扩展位错之间会发生化学交互作用，产生铃木 气团
• 由于扩展位错的层错区具有与周围基体不同的晶体结构（如fcc中层错 区属hcp），为保持热力学平衡，溶质原子在层错区浓度与在基体中 浓度不同，有的原子偏聚于层错区，减小表面能，使层错区宽度d增 大，不易于束集，难于交滑移，从而提高合金强度，这种由化学交互 作用而产生溶质原子在层错区偏聚，构成了“铃木气团”
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位错与空位的交互作用---位错在运动过程中产生空位
1. 异号刃型位错互毁后产生一串空位 2.两根相互垂直的螺型位错经交截后产生一小段刃型割阶，
割阶通过攀移随主位错线移动产生空位
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Байду номын сангаас
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科垂耳气团
通常把把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而
形成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团”
（Cottrell Atmosphere） 气团阻碍位错运动，产生固溶强化效应，但气团
在高温条件下会消失，失去强化效果
用柯氏气团可解释合金中出现应变时效和屈服现象
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两螺型位错各自产生一刃型割阶。 图中为L1的割阶
割阶PP′，长度为b2
只能在PP与b1组成的平面内沿b1所指方向滑移，不能跟随螺型位错L1一 道滑移
只能通过攀移随着L1运动，与L1滑移方向不一致。但攀移在室温下困难 这一段位错成为L1位错运动的障碍、阻力，有人认为这是加工硬化的原因
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两柏氏矢量互相垂直的刃型位错交截 (a) 交截前；(b) 交截后
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刃型位错与螺型位错交截
• 交截后，AB被分割成位于相 邻两平行平面内的两段位错
• 中间由刃型割阶PP′相连
• PP′长度与b2相等 • PP′柏氏矢量仍为b1
异号刃型位错互毁后产生空位
互毁时其中任一位错线必须每隔一定距离相对攀移一个原子间距 是产生空位的常见机制
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螺型位错交截后移动产生空位
两相互垂直的螺型位错经交截后产生刃型割阶 割阶高度足够小（1~2个原子间距），外力足够大且温度比较高时，
• 与科垂耳气团比较 • 1）铃木气团与温度无关 • 2）铃木气团与位错类型无关
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斯诺克气团
• 体心立方晶体中间隙原子如C、N 等与螺位错切应力场发生的交互 作用
• C、N原子使得α－Fe产生四方畸变
• 间隙原子分布于α－Fe的（1/2,0,0） （0,1/2, 0） （ 0,0,1/2）间隙位置
位错与溶质原子的交互作用
• 溶质原子处于位错的应力场之中，会产生弹性交互作用
• 在刃型位错中显得尤其重要 • 不论是置换型还是间隙型溶质原子均会引起晶格畸变
间隙原子以及尺寸大于溶剂原子的溶质原子使周围基体晶格原子受到压缩应力 尺寸小于溶剂原子的溶质使基体晶格受到拉伸
溶质原子与周围原子的交互作用
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位错线互相垂直刃型位错的交截
AB，xy两根相互垂直的刃型位错线，b1// b2 交截后各产生PP′和QQ′的折线，它们均位于原来两个滑移面上，同属螺型性质，
为“扭折” 在运动过程中，这种折线在线张力的作用下可能被拉长而消失
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2.6 位错与晶体缺陷的相互作用
1．位错与溶质原子的交互作用
点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应 力场可与位错产生交互作用
弹性的、化学的、电学的、几何的四种交互作用 弹性作用为最重要
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位错与溶质原子的交互作用
所有溶质原子均可在刃型位错周围找到合适的位置 正刃型位错
下方原子受到拉应力，原子半径较大的置换型溶质原子和间隙原子位于位错滑 移面下方（即晶格受拉区）可以降低位错的应变能 小原子半径的间隙型溶质原子位于滑称面上方（晶格受压区）可以降低位错应 变能，使体系处于较低的能量状态
c位错运动在割阶后留下一串空位
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位错偶
• 割阶高度在几个原子间距到20nm之间，位错不能拖着割阶运动 • 在外力作用下，若割阶间的位错线发生弯曲，且在上下两个滑移面和割阶相连
接的位错线是异号刃型位错时，这对异号刃型位错相互吸引而平行排列起来， 形成位错偶 • 位错偶经常断开而留下一个长的位错环，原位错线仍回复原来带割阶的状态， 形成的长形位错环又可分裂成小的位错环，也是形成位错环机制之一
此割阶只能通过攀移跟主位错线一起移动 割阶后留下一串空位，割阶间的位错线是异号刃型位错，吸引互毁后
形成位错偶
螺型位错拖着一小段割价共同运动，后面留下一串点缺陷
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带割阶的螺位错运动
a无应力下的直位错 b外加切应力后位错在滑移面弯曲
空位盘转化成位错环
金属从高温急冷所固定下来的过饱和空位可以聚集成空位盘
盘的尺寸达到几十个原子间 距时，不稳定而发生崩 塌，在四周形成一个刃 型位错环
位错环的滑移面是一个环柱 面，由于柏氏矢量垂直 于环面，在位错环所处 的平面上位错只攀移， 这种位错称为“棱柱位 错”
(a)空位凝聚成盘；(b)空位盘崩塌成位错环； (c)纯铝(650℃淬火)中的位错环
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位错交截
• 是否产生结果由位错线与另外的位错的柏矢矢量决定，若 平行，无交截结果，垂直时才有交截结果
• 交截后位错线段的刃型、螺型性质取决于该位错线段与本 身位错线柏矢矢量的关系
• 交截结果是割阶或扭折取决于该位错线段与本身位错滑移 平面的关系
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两根相互垂直的刃型位错线交截
b1⊥b2
xy位错线与不动的AB位错
交截后，AB产生一个长度
与PPb′折1相线等位的于刃P型xy割滑阶移P面P上′，，
是可动的，随AB沿着b 指方向移动
2所
b2与xy平行，xy不产生折线
位错偶断裂成位错环
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割阶的运动
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3．位错的交截
在滑移面上运动的某一位错，必与穿过此滑移面上的其它位错（称为“位错林”） 相交截，该过程即为“位错交截” 位错相互切割后，将使位错产生弯折， 生成两种位错折线 割阶：垂直滑移面的折线 扭折：在滑移面上的折线
溶质原子与位错的交互作用
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位错与溶质原子的交互作用
• 至于溶质原子能否移至理想的位置，则取决于溶 质原子的扩散能力
• 溶质原子分布于位错周围使位错的应变能下降， 位错的稳定性增加，晶体强度提高
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螺型位错和螺型位错的交割
AB的滑移面一定，由外力决定，所以P’P是刃型位错割阶，而Q’Q不是， 会消失
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螺型位错和螺型位错的交割
螺型位错上的（刃型）割阶不能随原位错一道滑移 滑移面是图中阴影面，只能沿位错线AB线滑移 要随AB一起运动，则它必须攀移 P’PM’M 是割阶P’P的附加半原子面 P’P随AB一起运动，则导致半原子面缩小，留下间 隙原子 这种攀移只有在较大正应力和较高温度下实现 如果左螺型位错，附加半原子面增大，留下空位 在常温下，螺型位错上的（刃型）割阶阻碍位错的 继续滑移
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柏氏矢量互相平行的互相垂直刃型位错的交截
• 位错线AB和XY发生交割后 • AB变为APP’B，XY变为xQQ’y • PP’台阶高度为b1， QQ’台阶高度为b2，两台阶和分别与b2和b1平 行，是螺型位错 • 它们位于原位错的滑移面上，是扭折
位错的塞积
位错运动过程中除遇到其它位错而发生交截 外，可能遇到晶界，孪晶界，相界等面缺 陷障碍物而产生“塞积”现象
在晶体内部的滑移面上有一位错源， 在 它在外外力力τ0作作用用下下产沿生滑一移个面刃往型前位移错动，， 若在前端遇到障碍物时，位错就会 阻塞在障碍物前
空位与位错在一定条件下可以互相转化
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2．位错与空位的交互作用
空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上， 使位错线产生割阶
空位被吸引到刃型位错上产生割阶
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• 作用力为弹性交互作用的1/5
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位错与空位的化学交互作用
• 置换式固溶体中溶质原子与层错化学交互作用，形成铃木 （Suzuki）气团
• 比弹性交互作用小1－2个数量级 • 由于堆剁层错作用，很难靠热起伏摆脱溶质原子束缚，有
好的高温稳定性，特别是Cottrell气团消失后作用显著 • 钉扎与位错类型无关，刃位错、螺位错钉扎强弱程度一样
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2．位错与空位的交互作用
• 空位也会引起点阵畸变，空位与位错也会发生交互作用 • 空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，降低位错的应 变能，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 随温度升高而上升
• 在应力作用下，三个间隙位置的原子应 变能不同，从应变能大的位置跳到应变 能小的位置，即斯诺克效应
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位错与空位的电学交互作用
• 刃位错压缩区原子间距小，电子密度增大，电子能量增大， 刃位错膨胀区原子间距大，电子密度小，电子能量小 • 压缩区电子流向膨胀区，压缩区带正电，膨胀区带负电， 形成电偶极子 • 高价原子进入膨胀区，低价原子进入压缩区