3.4.3位错的运动
晶体缺陷-位错运动
contents
目录
• 位错概念 • 位错运动 • 位错与材料性能 • 位错研究的意义与展望
01
位错概念
位错的定义
位错是晶体中原子排列的一种“缺 陷”，表现为一个或多个原子在晶体 中的位置发生了偏差。
位错的存在会导致晶体局部的原子排 列出现异常，破坏了晶体原有的周期 性结构。
塑性变形
位错是晶体中塑性变形的主要机 制，当外力作用在晶体上时，位 错会沿滑移面移动，导致晶体发 生塑性变形。
强度与硬度
位错的存在会阻碍裂纹的扩展， 从而提高材料的强度和硬度。
位错对扩散的影响
扩散路径
位错可以作为扩散的快速通道，影响原子沿位错线的扩散速 度。
扩散激活能
某些情况下，位错的存在可能会降低扩散所需的激活能。
位错的类型
01
02
03
刃型位错
由晶体中一个原子层上的 原子位移形成，表现为一 个多余的半原子面。
螺旋型位错
由多个原子层上的原子连 续位移形成，表现为螺旋 状的原子排列。
混合型位错
同时包含刃型和螺旋型位 错的特点，通常为一个刃 型位错与一个螺旋型位错 的组合。
位错的形成与存在
位错的形成
位错的运动
在晶体生长、加工或受到外力作用时， 原子排列可能会发生偏差，从而形成 位错。
性和耐腐蚀性。
半导体材料
在半导体材料中，位错对电子传 输和器件性能有重要影响，研究 位错有助于提高半导体器件的稳
定性和可靠性。
功能材料
在功能材料中，位错的运动和相 互作用对材料的物理性能（如热 学、电学和磁学性能）有重要影 响，通过位错研究可以优化功能
材料的性能和应用。
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2010032第三章 晶体缺陷运动 (五)
讨 论 和 练 习
位错的滑移特征
位错 类型 刃型 位错 螺型 位错 混合 位错 柏氏 矢量 ⊥位错线 ∥位错线 成角度 位错线 运动方向 晶体滑移 切应力 滑移面 方向 方向 数目 与b一致 唯一 确定 与b一致 多个 与b一致 ⊥位错线本身 与b一致 ⊥位错线本身 与b一致 ⊥位错线本身 与b一致
交滑移
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶 对于螺型位错， 面都可以成为它的滑移面， 面都可以成为它的滑移面，因此当某一螺 型位错在原滑移面上运动受阻时， 型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能 从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面 上继续滑移，这一过程称为交滑移。 上继续滑移，这一过程称为交滑移。如果 交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的 双交滑移。 滑移面上继续运动，则称为双交滑移 滑移面上继续运动，则称为双交滑移。动 画演示的就是螺型位错双交滑移及其增殖 模型的情形。 模型的情形。
位错的攀移 刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动 即发生攀移 攀移。 即发生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长 或缩短。 或缩短。
(a)正攀移
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
刃型位错的攀移 (b)原始位置
(c)负攀移
小技巧： 小技巧：判断位错运动方向
判断位错运动后, 判断位错运动后,它扫过的两 侧的位移方向： 侧的位移方向：根据位错线的正 向和伯氏矢量以及位错运动方向 来确定位错扫过的两侧滑动的方 可用右手定则判断： 右手定则判断 向。可用右手定则判断：食指指 向位错线正方向， 向位错线正方向，中指指向位错 运动方向， 运动方向，拇指指向沿柏氏矢量 方向位移的那一侧的晶体。 方向位移的那一侧的晶体。
（2）几种典型的位错交割
交割后要遵循伯氏矢量的一些特征。 交割后要遵循伯氏矢量的一些特征。 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错交割（ 20a ① 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错交割 （ 图 3.20a ） ： PP′ PP′大小和方向取决于b PP′为割阶, b2 ⊥ PP′, PP′大小和方向取决于b1，为刃型位 PP′为割阶, 错。 两伯氏矢量相互平行的刃型位错交割（ 20b ② 两伯氏矢量相互平行的刃型位错交割（图3.20b） ： PP′为扭折， b2 ⊥ PP′，QQ ′为扭折， b1 ⊥ QQ′， PP′ PP′为扭折， PP′ 为扭折， QQ′ PP′ 都是螺位错。 和QQ ′都是螺位错。 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（ ③ 两伯氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（图 MM′ MM′ 3.21）：MM′为割阶, b1 ⊥ MM′, MM′大小和方向取决于 21） MM′为割阶, b2，为刃型位错。NN′为扭折， b2 ⊥ NN′， NN′大小和方 为刃型位错。NN′为扭折， NN′ NN′ 向取决于b 为刃型位错。 向取决于b1，为刃型位错。 两伯氏矢量相互垂直的螺型位错交割（ 22） ④ 两伯氏矢量相互垂直的螺型位错交割 （ 图 3.22 ） ： MM′ NN′均为刃型割阶。 MM′和NN′均为刃型割阶。
位错的运动
由图可知，刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，这 是刃型位错的一个重要特征。刃型位错的正负可用 刃型位错的正负可用 右手法则来确定，如图所示。 右手法则来确定
用右手的拇指、食指和 中指构成直角坐标，以 食指指向位错线的方向， 中指指向柏氏矢量的方 向，则拇指的指向代表 多余半原子面的位向， 且规定拇指向上者为正 刃型位错，反之为负刃 型位错。
3.3螺型位错的运动
下图a表示螺型位错的滑移过程。图中“○” 表示滑移面下方的原子，“●”表示滑移面上方 的原子；虚线表示点阵的原始状态，实线表示位 错滑移一个原子间距后的状态。可以看出，在切 应力τ的作用下，只要位错周围的原子作微小的 位移，这种位移随螺型位错向左移动而逐渐扩展 到晶体左半部分的原子列。位错线向左移动一个 原子间距（从图中第6原子列移到第7列），则晶 体因滑移而产生的台阶亦扩大了一个原子间距， 如图b所示。
a正刃型位错的滑移
b负刃型位错的滑移
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，即造成了晶体的 塑性变形。若有n个b相同的位错扫过滑移面，则晶体将产 生nb的宏观滑移量，表面上产生nb高的台阶，成为电子 显微镜下看到的滑移线。下图a为原始状态的晶体以及所 加切应力的方向；b、c则为正刃型位错滑移的中间阶段， 可以看见位错线AB沿滑移面逐渐向后移动；应当注意， 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。因此，刃型位错的滑移面应是由 位错线与其柏氏矢量所构成的平面。
a原始间距
b向左滑移一个原子间距
a原始晶体
b滑移过程
c滑移过程
d滑移结束形成的台阶面
刃型位错与螺型位错滑移比较
第三节在位错上的力及位错的运动作用在
Wem
Wee
Wes
Gb2 sin2 4 (1 )
ln
R r0
Gb2 cos2 4
ln
R r0
Gb2
4k
ln
R r0
式中
k
1
1
cos2
，其值约为0.75 ～ 1。
小结：
单位长度位错的能量与其柏氏矢量的模的平 方成正比，即：
We=αGb2， α是与位错类型有关的系数，约为0.5～1。 故柏氏矢量b越小的位错，其能量越低，在 晶体中越稳定。 一般，r0≈b≈2.5×10-10m，R=10-6m，若取 G=40GN/m2，则
刃型位错滑移时原子的移动
在相同的切应力作用下，负刃位错的移动方向 与正刃位错相反。但造成的晶体滑移的结果相同。
刃型位错线的移动：
滑移方向：垂直于位错线，但平行于b； 滑移面：位错线与b构成的平面，是一个确定的
平面。 滑移结果：产生一个宽度为b的台阶。
2）螺型位错的滑移
原子的移动： ：为滑移面以上原子。 ：为滑移面以下原子。
区域的滑移量为b，则滑移消耗的功为：W1=τLdsb 力F使位错线移动ds所做的功为 ：W2=Fds ∵W1=W2，即：Fds=τLdsb 故有 F=τLb 作用于单位长度位错线的力则为： f =τb 此式表明： f 的大小 与τ和b 成正比。 同一位错线上各点b相同，只要切应力均匀地作用在晶体
上，则位错线上各处 f 力的大小也相同。
We≈2.5nJ/m。
三、位错的线张力
长度为L的位错，其应变能为 W=We ·L ，W∝L。 若位错线弯曲，能量将增高。
为了降低能量，位错线有由曲变直，由长变短的自发倾向，
它是位错的一种弹性性质，相似于液体的表面张力，称为位错 的线张力，以单位长度位错线的能量表示。
位错总结
位错总结一. 位错概念1.晶体的滑移与位错2. 位错模型● 刃型位错： 正负刃型位错， ※位错是已滑移区与未滑移区的边界※位错线必须是连续的－位错线不能中止在晶体内部。
∴ 起止与晶体表面（或晶界）或在晶体内形成封闭回路或三维网络● 螺型位错： 左螺旋位错，右螺旋位错 ● 混合位错3.位错密度 单位元体积位错线总长度，3/m m或单位面积位位错露头数，2m4. 位错的柏氏矢量 （Burgers Vector ）● 确定方法： 柏氏回路 ●意义：1) 柏氏矢量代表晶体滑移方向(平行或反平行)和大小 2) 位错引起的晶格畸变的大小3）决定位错的性质（类型）刃型位错 b ┴位错线 螺型位错 b//位错线混合位错 位错线与b斜交s e b b b+→,sin θb b e= θcos b b s=4）柏氏矢量的表示 ]110[2a b =或 ]110[21=b●柏氏矢量的性质1）柏氏矢量的守恒性－流入节点的柏氏矢量之和等于流出节点的柏氏矢量之和2）一条为错只有一个柏氏矢量二．位错的运动1．位错的运动方式●刃型位错滑移―――滑移面： l⨯，唯一确定的滑移面滑移方向：l v b v⊥,//滑移应力： 滑移面上的切应力－沿b 或b-攀移――攀移面： 附加半原子面攀移方向：)(b l v⨯⊥攀移应力：攀移面上的正应力； 拉应力－负攀移 压应力－正攀移 攀移伴随原子扩散，是非守恒运动，在高温下才能发生 ● 螺型位错滑移―――滑移面：包含位错线的任何平面滑移方向：l v b v⊥⊥,滑移应力 滑移面上的切应力－沿b 或b-交滑移―――同上●混合位错滑移（守恒运动）――同刃型位错非守恒运动 ――在非滑移面上运动－刃型分量的攀移和螺型分量的滑移的合成运动2．位错运动与晶体变形的关系1）滑移面两边晶体运动方向 V右手定则――以位错运动面为界， )(b l⨯所指的那部分晶体向b方向运动位错运动相关量： v b l j i,,,,σb l⇔ ： 确定位错的性质V j i⇒σ： 确定晶体相对运动V v l⇔⇔b ⇒确定位错运动方向或晶体运动方向上述规则对位错的任何运动方式均使用2）位错运动与晶体变形的定量关系vb ρε=， v b ρε=3） 位错增殖Frank-Read 源 LGb LGb ≈=ατ2L 型增殖 双交滑移4）位错的交割刃－刃交割――21//b b 21b b ⊥ 刃－螺交割 螺－螺交割三．实际晶体的位错 （FCC ） 1．全位错的分解2. 堆垛层错内禀层错―――滑移型， 抽出型 A B C A B C A B C A B C↓↓↓↓↓↓ B C A B C A A B C A B C ∣B C A B C A外禀层错―――插入型C A B C A C B C A B C A3．分位错――完整晶体和层错的边界● Shockley 分位错 ：特点： 1）><=11261b 滑移型层错的边界 2） 只能滑移，刃型不能攀移，螺型不能交滑移● Frank 分位错特点： 1） ><=11131b插入型或抽出型层错与完整晶体的边界2）只能攀移不能滑移4．扩展位错特点： 扩展宽度 πγπγ2422210Gab b G d =⋅=只能滑移，不能交滑移；但束集后可交滑移5．位错反应● 位错反应的条件1） 几何条件：∑∑='iibb2） 能量条件：∑∑≤'22)()(i i b b● Thompson 记号 ●形成扩展位错的反应 ●形成压杆位错的反应。
第3章 晶体缺陷 笔记及课后习题详解 (已整理 袁圆 2014.8.6)
第3章晶体缺陷3.1 复习笔记一、点缺陷1．点缺陷的定义点缺陷是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。
2．点缺陷的特征尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子。
3．点缺陷的形成晶体中，位于点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。
离开平衡位置的原子有三个去处：（1）迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基（Schottky）缺陷；（2）挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗仑克尔（Frenkel）缺陷；（3）跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位；（4）在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子图3.1 晶体中的点缺陷（a）肖特基缺陷（b）弗伦克尔缺陷（c）间隙原子4．点缺陷的平衡浓度（1）点缺陷存在的影响①造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；②由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。
晶体组态熵的增值：最小，即式中，Q f为空位形成能，单位为J/mol，R为气体常数，R=8.31J/(mol·K)。
（2）点缺陷浓度的几个特点对离子晶体而言，无论是Schottky缺陷还是Frenkel缺陷均是成对出现的事实；同时离子晶体的点缺陷形成能一般都相当大，故在平衡状态下存在的点缺陷浓度是极其微小的。
二、线缺陷1．位错的定义晶体中某一列或若干列原子有规律的错排。
2．线缺陷的特征在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷。
3．位错（1）位错的分类①刃型位错：晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半排原子面。
位错的运动
5/3/2014
刘志勇 14949732@
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2.3.1 刃型位错的运动 刃型位错运动的两种方式：滑移、攀移
滑移 ：位错线在滑移面上的运动，如图位错线移动到晶体表面时，位错即消失， 形成柏氏矢量值大小的滑移台阶
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混合位错的滑移过程
混合位错是刃型位错和螺型位错的混合型 其运动亦是两者的组合
1点为纯螺型位错，2点为纯刃型位错，12表示混合位错。在外力作用下滑 移区不断扩大，当12位错线在滑移面上滑出晶体后，使上下两块晶体沿柏 氏矢量方向移动了一个原子间距，形成了一个滑移台阶
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位错环的运动
位错环逐渐扩大而离开晶体时，晶体上、下部相对滑动一个台阶，其方向和大小与 柏氏矢量相同 位错环也可能反向运动而逐步缩小至位错环消失，这取决于切应力τ的方向
位错环的运动方向是沿法线方向向外扩展
5/3/2014
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混合位错运动
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1-5位错的运动
▲ Cation generator (similar to Frank-Read source)
Primary slip plane
edge
b
b
b
Cross slip plane
交滑移 cross slip
作用原滑移面上运动受阻—交滑移—新 滑移面—滑移继续交滑移只能是螺位错才 能发生 说明：交滑移不是塑性变形的主要机制— 可避开障碍物—便于滑移 结论：交滑移能力——影响滑移进行—— 进一步影响塑性变形
定义：每增加单位长度的位错线所做的功或增加的位错能 －位错的线张力。
如果受到外力或内力的作用，晶体中的位错将呈弯曲弧形。 为达到新的平衡状态，位错弯曲所受的作用力与其自身的 线张力之间必须达到平衡。 -位错的向心恢复力
保持位错线弯曲所需的切应力与曲率半径成反比,曲率半径越小, 所需的切应力越大,这一关系式对于位错的运动及增殖有着重要的意义.。
Fe
slip
Fe3 C
Slip can be blocked by large precipitates. Blocking dislocations increases strength but lowers ductility.
Fe
climb slip
slip
Fe3 C
Climb allows dislocations to move around obstacles.
螺型位错滑移时周围原子的移动情况代表下层晶面的原子代表上层晶面的原子原位错线处在11处在切应力作用下位错线周围的原子作小量的位移移动到虚线所标志的位置即位错线移动到22处表示位错线向左移动了一个原子间距
正刃型位错
负刃型位错
Deformed microstructure of Ti3Al-Nb alloy (TEM ) 位错环 dislocation loop
晶体结构缺陷(二) 位错的运动
知识点058. 位错的运动滑移攀移位错的运动刃位错的运动螺位错的运动 滑移攀移 滑移刃位错的滑移有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）刃位错的滑移注意：晶体不同部分的相对滑移形成了位错，而位错的滑移是实现塑性变形的机制。
要区别晶体的滑移与位错的滑移。
此例中晶体滑移方向与位错滑移方向相同（相互平行）。
刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量平行正、负刃位错滑移方向相反螺位错的滑移注意：晶体不同部分的相对滑移造成位错，而位错的滑移是实现塑性变形的机制。
要注意区别晶体的滑移与位错的滑移。
此例中晶体滑移方向与位错滑移方向不同（相互垂直）。
螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量垂直左、右螺位错滑移方向相反混合位错的滑移注意：晶体不同部分的相对滑移造成位错，位错的滑移是实现塑性变形的机制。
要区别晶体的滑移与位错滑移。
此例中晶体滑移方向与位错滑移方向部分相同，部分不相同。
混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量成一定角度（沿位错线法线方向滑移）刃位错和螺位错滑移的比较晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量相一致但并不一定与位错的滑移方向相同。
位错类型柏氏矢量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向刃位错垂直于位错线垂直于位错线与伯氏矢量方向一致与伯氏矢量方向一致螺位错平行于位错线垂直于位错线与伯氏矢量方向一致与伯氏矢量方向一致混合位错与位错线成角度垂直于位错线与柏氏矢量方向一致与伯氏矢量方向一致有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）位错的攀移定义：分类：正攀移负攀移攀移的特点及与滑移的不同：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）随堂练习：答：。
位错的运动PPT课件
正攀移：正刃位错原子从多余的半原子面边缘跳入 晶格间隙位置，作为间隙原子扩散开来，或者跳 入晶体中扩散到附近的空位时，都能使位错向上 攀移。
负攀移：反之若间隙原子扩散到位错线上，位错向
7 下攀移。
a
位错的线张力
8
线张力：位错线增加一个单位 长度时，引起晶体能量的增加， 即位错的线张力就等于：单位 长度位错的应变能T=W=α Gb2。 直线α=1，弯曲α=0.5。
a
二、位错的增殖与塞积
1.位错源： 一段被钉扎的位错,受
到各处相同的滑移力 而向前滑移,但A,B两 点被钉扎,变成曲线形 式,并逐渐扩大,分裂出 一位错环.这一过程所 需的外力越来越大,弯 成半圆时,达到最大.此 后位错再向外膨胀,曲 率减小,外力下降. 位错也可一端被钉扎.
12
a
2. 螺位错的双交滑移增殖
一、位错间的交互作用
1. 两平行螺位错的相互作 用： 螺应位力错分（ 量:bτθ1z) 只有纯切
位错b2受力为：
F = b2 τθz
= (Gb1b2 / 2πr)
可见，合力F是一种径 向力.当位错同向时， 两位错在F的作用下表
现为互相排斥。当位 错反向时，两位错在F
的作用下表现为互相 吸引。
9
a
纯刃位错的滑移沿位错线的法线方向进行，滑移面由位
错线与其柏矢量组成。位错在滑移面上的运动叫滑移。对刃
3 型位错，柏矢量与位错线垂直，滑移面是唯一的。
a
2. 螺位错的滑移：
柏矢量与位错线平行，在切应力作用下，螺 位错的移动方向与柏氏矢量相垂直，也与 切应力及晶体滑移的方向相垂直。螺位错 具有多个滑移面，在滑移运动时可从一个 滑移面到另一个滑移面上去，这一过程称 为交滑移。
位错的运动和分解
位错的运动和分解
位错的运动主要包括滑移和攀移两种基本方式，并且位错还可以发生分解。
1. 滑移：这是位错运动的主要方式之一。
当外部施加的切应力克服了位错运动所受的阻力时，位错将沿着特定的原子面（即滑移面）移动。
这种运动会导致晶体的一部分相对于另一部分滑动，从而引起塑性变形。
2. 攀移：攀移是刃型位错特有的运动方式。
在晶体内，刃型位错可以沿着垂直于滑移面的方向上进行移动。
攀移通常需要点缺陷的存在，例如空位或间隙原子，因为位错通过吸收或排放这些点缺陷来改变其位置。
3. 位错分解：在复杂的晶体结构中，全位错可以分解为不全位错。
不全位错之间的区域称为堆垛层错。
这种分解通常发生在低能层错能的材料中，并且这种分解会影响材料的力学性能。
位错的运动和分解是材料科学中非常重要的概念，它们对材料的塑性变形和力学性能有着决定性的影响。
了解位错的这些行为对于材料的设计和应用至关重要。
位错理论2-位错的运动
目录
位错的滑移 位错的攀移 位错运动对晶体体积的影响
23
位错运动：小结 位错运动的结果：不引起晶体 结构的变化，只引起晶体缺陷 组态与分布的变化 一旦位错运动移走晶格畸 变消失
24
位错运动引起的晶体体积变化
设柏氏矢量为b的位错：长 度为dl，在法向为n的晶面上 扫过dD的距离 所以：
19
Climb of dislocation
正攀移：
原子从多于半原子面转移至别处 空位转移至多于半原子面下端
负攀移：相反
20
Climb of dislocation
攀移的影响因素：
由于攀移需原子扩散，因此不能整条位错 线同时攀移，只能一段一段地进行位错 线的攀移过程使位错线形成折线
位错的滑移方向
位错线的滑移方向是位错线的法向 又因为：总有 b∥t的方向 螺型位错：滑移方向与外力t和b垂直； 左、右螺位错的滑移方向相反。
10
11
Slip direction
位错的滑移方向
位错线的滑移方向是位错线的法向 又因为：总有 b∥t的方向 混合位错：滑移方向与外力t和b成一夹角。
位错是靠位错线上的原子或附近畸变区的 原子，逐排逐排地移动而进行的。 与经典刚性滑移模型（理论剪切强度）存 在显著差异。 可解释晶体剪切强度的实验数据。
3
Slip of dislocation
4
Slip plane
位错滑移面与晶体滑移面的关系：
位错线和b 位错滑移面——可滑移面
Dy b
17
目录
位错的滑移 位错的攀移 位错运动对晶体体积的影响
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Climb of dislocation 位错攀移定义：
材料科学基础-§3-3 位错的运动
二. 螺型位错的应力场
如图，在圆柱体中心挖去r0圆柱形中心区后，然后沿XOZ 面切开，并沿Z轴滑移一个柏氏矢量b，再把两个面粘结。
应变为： Z Z
b 2r
Gb 2r
应力为： Z Z G Z
rr zz r rz 0
τ
F F
τ
τ
τ
Fd b
二. 位错的运动
刃型位错的运动
滑 移 攀 移
位错的运动 滑 移 螺型位错的运动 交滑移 位错在滑移面上受到垂至于位错线的作用力，当此力 足够大，足以克服运动阻力时，位错便可以沿着作用力方 向移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。 刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向移 动，刃型位错的这种运动称为攀移。
zz v( xx yy )
xz zx yz zy 0
xy yx D
x( x 2 y 2 ) (x2 y 2 )2
其中： D Gb / 2 (1 )
刃位错周围应力场的特点： 1）应力的大小与r呈反比，与G、b呈正比。 2）有正、切应力，同一地点 |σxx|>|σyy|，σyy较复杂，不作 重点考虑。 3）y>0, σxx<0，为压应力 y<0, σxx>0，为拉应力 y=0, σxx=σyy=0，只有切 应力。
y=±x，只有σxx、σzz 。
四. 位错的弹性应变能 位错的存在引起点阵畸变，导致能量增高，此增量称 为位错的应变能，包括位错核心能与弹性应变能。其中弹 性应变能约占总能量90%。 由弹性理论可知：弹性体变形时，单位体积内的应变 能等于应力乘以其相应的应变的二分之一。 ☺对于螺型位错，单位长度螺旋位错的弹性应变能为：
晶体缺陷——位错运动(共25张PPT)
3.柏氏矢量的表示方法 第6次
〔1〕以其在晶轴上的分量a、b、c表示：
b=xa+yb+zc
〔2〕对立方晶系：a=b=c，因此用方向相同的晶向指数表示： b=a/n [u v w] 例： b=a[2 3 6]
b=a/2 [1 1 1]
3.2.3 位错的运动 P94 i. 位错可以在晶体中运动
ii. 材料的塑性变形就是通过位错运动实现的
其方向表示位错的性质和取向，即位错运动导致晶体滑移的方向 所有的割阶都是刃型位错，扭折可以是螺型位错也可以是刃型位错 位错运动根本形式： 滑移、攀移 一般情况下，攀移比滑移需要的能量高，在室温下不容易发生 实例1：两个柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割 〔3〕混合型位错的滑移 图3. 一般情况下，攀移比滑移需要的能量高，在室温下不容易发生 对一个确定的位错正向，按照右手螺旋法那么获取的b具有唯一性、守恒性，与柏氏回路的起点和具体路径无关， 双交滑移：发生交滑移后的位错如果再转回到和原滑移面平行的面上继续滑移 〔5〕位错线不能中止在晶体内部——位错的连续性〔定义〕 对一个确定的位错正向，按照右手螺旋法那么获取的b具有唯一性、守恒性，与柏氏回路的起点和具体路径无关， 位错可以在晶体中运动 位错局部滑移、刃型位错攀移、两条位错线交割后，经常产生一段曲折线段 结果：较小的力使材料发生塑性变形 3 位错的运动 P94
3 位错的运动 P94
图 3.18 刃型位错的攀移运动模型
a) 未攀移的位错 b) 空位引起的正攀移 c)间隙原子引起的负攀移
特点： 螺型位错没有半原子面，故不会发生攀移 一般情况下，攀移比滑移需要的能量高，在室温下不
容易发生
高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照后，晶体中存在大量 点缺陷的情况下，容易发生位错的攀移〔刃型位错〕
材料学基础-位错
位错线
正刃型位错
负刃型位错错 设想在简单立方晶体右端施加一切应力, 设想在简单立方晶体右端施加一切应力,使右端 ABCD滑移面上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切 ABCD滑移面上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切 在已滑移区与未滑移区的交界处,AB线两侧的上下 变,在已滑移区与未滑移区的交界处,AB线两侧的上下 两层原子发生了错排和不对齐现象,它们围绕着AB AB线连 两层原子发生了错排和不对齐现象,它们围绕着AB线连 成了一个螺旋线,而被AB线所贯穿的一组原来是平行的 成了一个螺旋线,而被AB线所贯穿的一组原来是平行的 AB 晶面则变成了一个以AB线为轴的螺旋面. AB线为轴的螺旋面 晶面则变成了一个以AB线为轴的螺旋面. 此种晶格缺陷被称为螺型位错 螺旋位错分为左旋 螺型位错. 此种晶格缺陷被称为螺型位错.螺旋位错分为左旋 右旋. 和右旋. 以大拇指代表螺旋面前进方向, 以大拇指代表螺旋面前进方向,其他四指代表螺旋 面的旋转方向,符合右手法则的称右旋螺旋位错 右旋螺旋位错, 面的旋转方向,符合右手法则的称右旋螺旋位错,符合 左旋螺旋位错. 左手法则的称左旋螺旋位错 左手法则的称左旋螺旋位错.
练习1 练习1 如图,位错环的柏氏矢量正好处于滑移面上.(1 如图,位错环的柏氏矢量正好处于滑移面上.(1)判断 .( 各段位错线的性质.( .(2 在图中所示切应力的作用下, 各段位错线的性质.(2)在图中所示切应力的作用下, 位错线将如何移动.( .(3 该位错环运动出晶体后, 位错线将如何移动.(3)该位错环运动出晶体后,晶体 的外形将发生怎样的改变. 的外形将发生怎样的改变.
5.位错密度 5.位错密度 位错密度是指单位体积内位错线的总长度. 位错密度是指单位体积内位错线的总长度. 是指单位体积内位错线的总长度 其表达式为 LV = L / V 式中: 是体位错密度; 式中:LV是体位错密度; 是位错线的总长度; L是位错线的总长度; 是晶体的体积. V是晶体的体积.
材料科学基础第四章3-2位错的运动
dt
17
设第 i 条位错滑移的距离为xi，那么它引起的晶体位移为：
lxi ld
b
b d
xi
N条位错线引起的晶体总位移是：
D
b d
xi
b d
(xi )
晶体的宏观变形 为：
位错的平均 滑移距离
D b
h hd
(xi )
Nb hd
(xi N
)
b xi
位错的平均 滑移速率
c
接近完美 的晶体
冷加工 状态
退火后
的o
19
§4-8 小结－－位错的基本几何性质
1、线缺陷
2、局部滑移或局部位移的边界线
3、柏氏矢量
b
b l 刃型位错 b // l 螺型位错
b l 混合型位错
20
§4-8 小结－－位错的基本几何性质
4、
b和l 正向的确定
5、柏氏矢量的守恒性
6、连续性：位错起止于表面或界面、或位错环、或 与其它位错相连
• 面：l b 0
•
方向：v
l
说明滑移面不定，从几何学上讲，包含位错线的任 何面都可以称为滑移面，但从晶体学上讲，滑移面 还要受晶体学条件的限制。
•
运动量：
A dis Aslip
b
9
三、混合型位错的运动
分解为刃、螺位错，然后考察它们的运动
b
l1
l2
l
10
四、(
)
V
v之间的关系
－外加应力
S.P.相交于ABCDA
然后让该四棱柱上半部分相对于下半部分滑移b ，而棱柱外不
滑移。
12
解③答在： 的作用下，
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材料科学基础
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第 3 章
3.4.3位错的运动
位错的运动
晶体中的位错力图从高能量位置转移到低能位置，在
适当条件下，位错会发生运动。
位错在晶体中的运动有两种方式
滑移攀移
位错的滑移运动
位错沿某些特殊晶面（滑移面）的移动称为滑移，滑移按一定的方向进行（滑移方向）。
只有当滑移面上的切应力分量达到一定值（临界分切），位错才能滑移。
应力τ
c
晶体上下两部分相对滑动一定距离，在晶体产生宏观可见台阶，使其发生塑变。
位错具有易动性
位错线附近原子进行微小移动，远离的原子并不移动。
位错从一个平衡位置移至另一个平衡位置，原子没有扩散。
任意原子的运动距离不超过伯氏矢量。
可造成晶体表面台阶。
位错滑移是在其滑移面上进行的。
位错线与伯氏矢量构成的晶面称该位错的滑移面。
(可滑移面)晶体的滑移面通常是晶体中的原子密排面。
位错线的滑移方向总是该位错的法线方向。
位错的攀移
只有刃位错能发生攀移
刃位错沿垂直滑移面的方向进行的运动称攀移
位错的攀移机制
攀移是通过原子扩散实现的
实质是半原子面的扩展和收缩
移攀有正、负。
攀移过程是空位的运输过程，引起体积变化。
攀移过程需要热激活以产生大量空位，且空位数量及其运动速度对温度敏感。
攀移往往是在高温下进行的。
攀移过程是逐渐的，位错线不是同步升、降。
当晶体中存在过饱和空位时，空位向刃位错的扩散是降低空位浓度的有效方法之一。
除温度外，施加正应力也有助于刃位错的攀移σσυ压应力
有助于
正攀移拉应力有助于负攀移。