传输原理课件 chapter4b位错基本概念

4.3.1. 位错的基本类型和特征
根据几何结构
刃型位错 edge dislocation 螺型位错 screw dislocation 混合位错 mixed dislocation
1. 刃型位错 edge dislocation
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子 面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就 是刃型位错。
滑移不是刚性滑动
多脚 虫 的 爬 行
9
位错（Dislocation）理论的发展
1934年 Taylor、Orowan、Polanyi提出“位错模 型”，滑移是通过称为位错的运动而进行的
1950年代后 位错模型为实验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念 被广泛用来研究固态相变、晶体光、电、声、磁、热 力学，表面及催化等
刃型位错
刃型位错的特点：
A. 若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称 为正刃型位错（ ┴ ），反之，则称为负刃型位错（ ┬ ）。 两者没有本质区别
（）
（）
刃型位错的特点：
B. 刃型位错线可以理解为已滑 移区和未滑移区的分界线，它 不一定是直线；
•
•• •
•• •
•• •
• • •
•• •
4 晶体缺陷 Crystal Defects
4.3 位错 Dislocation
位错 Dislocations
Dislocations in Titanium alloy TEM 51450 x
线缺陷就是各种类型的位错。它 是指晶体中的原子发生了有规律的 错排现象。
其特点是原子发生错排的范围只 在一维方向上很大，是一个直径为
Dislocation loops produced by vacancy precipitation in germanium. Thin-foil electron micrograph. 60,000×.
电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
• • •
• • •
• • •
• ••
•• • • • • • • •
•• • • • • • • •
刃型位错的特点：
C. 滑移面是同时包括位错线和滑移 矢量的平面，刃 型位错的位错线和滑移矢量互相垂直，一个刃型位错 所构成的滑移平面只有一个；
•• • • •• • ••
•
• •
• •
• •
• •
螺型位错的特点：
F. 螺型位错周围的点阵畸变 随离位错线距离的增加而急剧 减少，故也是几个原子宽度的 线缺陷。
C. 混合位错 mixed dislocation
混合位错：一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位 错线，而与位错线相交成任意角度。可看作是刃型位错和螺型位错的混合 形式。
3～5个原子间距，长数百个原子间 距以上的管状原子畸变区。
位错是一种极为重要的晶体缺陷， 对金属强度、塑性变形、扩散和相 变等有显著影响。
位错包括两种基本类型： 刃型位错 和 螺型位错
Individual dislocations (revealed by careful etching) that comprise a subboundary in germanium
B. 螺型位错 screw dislocation
b a
Байду номын сангаас
螺型位错：位错附近的原子是 按螺旋形排列的。
位错线（bb’）：已滑移区和
未滑移区的分界线。
畸变区（aa’b’b）：约几个
原子间距宽、上下层原子位置 不相吻合的过渡区，原子的正 b’ 常排列遭破坏。螺型位错也是 a’ 线缺陷。
螺型位错的特点：
螺型位错
刃型位错
所有位错的共同特征
位错线或者终止于表面，或 者形成位错环，不能终止与 晶体内部。
螺型位错
刃型位错
1926年，苏联物理学家雅科夫∙弗兰克尔（Jacov Frenkel）假定材料发生塑性变形时晶体各部分作为刚 体相对滑动，连接滑移面两边的原子结合键同时断裂 ，这样计算得到常用金属的临界分切应力（见6.2节） 值约为0.1G，G为剪切模量
塑性变形试验中，测得的这些金属的临界分切应力仅 为10−4~10−8G，比理论强度低了整整3个数量级。
1934年，埃贡·奥罗万（Egon Orowan），迈克尔·波拉 尼（Michael Polanyi）和 G. I. 泰勒（G. I. Taylor）三 位科学家几乎同时提出了塑性变形的位错机制理论， 解决了上述理论预测与实际测试结果相矛盾的问题。 位
b a
’ ’
=b
S.P. x
x
• 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论 临界切应力值比实际测量临界切应力值 大3-4个数量级。
• •
• •
• •
• •
••
••
• •
• •
• •
• •
• •
• •• • ••
刃型位错的特点：
D. 位错的存在使得位错周围的点阵发生弹性畸变。对正刃型 位错而言，位错线上、下部临近范围内原子受到压应力、拉应 力, 离位错线较远处原子排列恢复正常。 E. 在位错线周围的畸变区内，每个原子具有较大的平均能量。 这个区域只有几个原子间距宽，是狭长的管道，所以刃型位错 是线缺陷。
A. 螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称； B. 根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同， 可分为右旋和左旋螺型位错；
典型特征 C. 螺型位错的位错线与滑移矢量平行,一定是直线；位错线的移 动方向与晶体滑移方向互相垂直；
D. 纯螺型位错的滑移面不是唯一（滑移面=l×b）的；凡包含
位错线的平面都可作为滑移面；一般，滑移面是原子密排面； E. 螺型位错周围的点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切 应变，无正应变，所以不会引起体积膨胀和收缩。
Semicoherent interface between Ag-richen and Cu-richen phases
J M HOWE. Interface in Materials, 1997
K.L. Merkle, M.I. Buckett, and Y. Gao 1992
位错理论的发展