位错的运动
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4-位错运动与受力-51解析
中南大学材料科学与工程学院
材料科学基础
位错应变能及受力
• 假设，位错线dl,向任意方向移动ds,扫过的面积为
• 晶体体积变化 V b dA b ndA
• 滑移时，体积不变，保守运动； • 攀移时，体积变化，非保守运动
dA dl ds n dA
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材料科学基础
位错应变能及受力
2.4
位错的运动
晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来 实现的。 当晶体中存在位错时，只需用一个很小 的推动力便能使位错发生滑动，从而导致金 属的整体滑移，这揭示了金属实际强度和理 论强度的巨大差别。 金属的许多力学性能均与位错运动密切 相关。
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材料科学基础
位错应变能及受力
攀移的特点
• 攀移是刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动； • 空位和原子的扩散，是半原子面的扩大或缩小， 引起体积变化（非保守运动）； • 阻力很大，接近理论强度； • 垂直于额外半原子面的压应力，促进正攀移，拉 应力，促进负攀移。 • 温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行； 室温下难以进行。
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位错应变能及受力
螺型位错的运动
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1-1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2-2处，表示位错 线向左移动了一个原子间距，反映在晶体表面上即产生了一个台阶。 19 它与刃型位错一样，原子移动量很小，移动所需的力也很小。
10
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3.晶体中的位错的运动
在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向相垂直的方向运动，直至消失 在晶体表面，只留下一个柏氏矢量大小的台阶
螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行
螺型位错的滑移没有固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线 为共同转轴的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移
2020/3/9
位错环的运动方向是沿法线方向向外扩展
2020/3/9
柏振海 baizhai@
27
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材料科学与工程基础
例题
已知位错环ABCDA的柏氏矢量为b，外应力 为τ和σ，如图所示
求： ⑴位错环的各边分别是什么位错？ ⑵如何局部滑移才能得到这个位错环？ ⑶在足够大的剪应力τ作用下，位错环将如何
• 派需一的纳临力界（切τ应p-力N）实质上是指周期点阵中移动单个位错所
近似计算式为
p
2G
1 v
exp
2 w
b
2G
1 v
exp
2 a
1 vb
(2-5)
b为柏氏矢量；G为切变模量；ν为泊松比；w为位错宽度， 它等于a/(1-ν)；a为滑移面的面间距
柏振海 baizhai@
5
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位错运动的其它阻力
位错的运动
• 1.其它位错应力场的长程内应力作用；位错运动时发生交截，形成割阶、 空位、间隙原子、位错反应等
• 2.其它外来原子阻力，如位错线周围的溶质原子聚集的短程阻力，第二 相粒子对位错运动的长程阻力
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螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行
螺型位错的滑移没有固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线 为共同转轴的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移
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位错环的运动方向是沿法线方向向外扩展
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例题
已知位错环ABCDA的柏氏矢量为b，外应力 为τ和σ，如图所示
求： ⑴位错环的各边分别是什么位错？ ⑵如何局部滑移才能得到这个位错环？ ⑶在足够大的剪应力τ作用下，位错环将如何
• 派需一的纳临力界（切τ应p-力N）实质上是指周期点阵中移动单个位错所
近似计算式为
p
2G
1 v
exp
2 w
b
2G
1 v
exp
2 a
1 vb
(2-5)
b为柏氏矢量；G为切变模量；ν为泊松比；w为位错宽度， 它等于a/(1-ν)；a为滑移面的面间距
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位错运动的其它阻力
位错的运动
• 1.其它位错应力场的长程内应力作用；位错运动时发生交截，形成割阶、 空位、间隙原子、位错反应等
• 2.其它外来原子阻力，如位错线周围的溶质原子聚集的短程阻力，第二 相粒子对位错运动的长程阻力
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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。
为什么滑移系一般是晶体的最密排面和最密排方向
为什么滑移系一般是晶体的最密排面和最密排方向
滑移系是指晶体中在应力作用下能够发生滑移的最密排面和最密排方向的组合。
滑移是一种晶体中的位错运动，是晶体塑性变形的重要方式之一。
滑移发生时，位错在晶体中沿着晶胞面的最密排面和沿着晶胞中最密排的方向滑动。
这是因为晶体中滑移发生的路径是沿着最密排面和最密排方向的路径长度最短，能量最低。
在这些排面和方向上，原子之间的间距最小，相邻两列原子之间的距离变化最小，从而减小了位错的运动阻力。
滑移系在晶体结构中是由晶体的对称性决定的。
晶体结构中的最密堆积方案会决定最密排面和最密排方向的位置。
滑移系的确定是对晶体结构中的晶胞面和晶胞内的原子位置进行追溯分析得出的。
可以通过计算晶体的晶胞参数、晶格常数和晶体结构的对称性来确定滑移系。
根据晶体学的知识可以得到晶体的晶胞参数、晶格常数和晶体结构的对称性参数，进而确定滑移系。
总而言之，滑移系一般是晶体的最密排面和最密排方向，是由晶体的对称性和最密堆积方式决定的。
滑移系使得晶体在应力作用下能够以最低能量的方式发生位错运动，实现塑性变形。
7.3 位错的运动
螺位错滑移
5、位错的滑移特点
5）只有螺型位错才能够交滑移： 螺位错：因其位错线与柏氏矢量b 平行，故无确 定滑移面，通过位错线并包含b 的所有晶面都可 能成为它的滑移面。 若螺位错在某一滑移面滑移后受阻，可转移到与 之相交的另一个滑移面上去，此过程叫交叉滑移， 简称交滑移。 由此看出，不论位错如何移动，晶体滑移总是沿 柏氏矢量相对滑移，故晶体滑移方向就是位错的 柏氏矢量 b 方向。
（a）
（b）
（c）
（d）
刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程
（a）原始状态的晶体（b）（c）位错滑移中间阶段 （d）位错移出晶体表面，形成一个台阶
2、螺型位错滑移
螺位错沿滑移面运动时，周围原子动作情况如图。 虚线－－为螺旋线原始位置， 实线－－位错滑移一个原子间距后的状态。 在切应力τ作用下，当原 子做很小距离的移动时， 螺位错本身向左移动了一 个原子间距。 滑移台阶(阴影部分)亦向 左扩大了一个原子间距。
20
一、位错的滑移
下图（a）表示含有一个正刃型位错的晶体点阵，图中实线表示位 错（半原子面PQ）原来的位置，虚线表示位错移动一个原子间距（如 P’Q’）后的位置，可见，位错虽然移动了一个原子间距，但位错附近的 原子只有很小的移动。图（b）为负刃型位错再切应力下的滑动。 位错的滑移：是通过位错线及附近原子逐个移动很小距离完成的，故只 需加很小切应力就可实现。 正刃位错滑移方向与外力方向相同；负刃位错滑移方向与外力方向相反。
（a）位错环
（b）位错环运动后产生的滑移位错环的滑移
位错的滑移
刃型位错的运动
螺型位错的运动
混合 ⊥位错线
位错线 运动方向 ⊥位错线本身
晶体滑移方 向 与b一致 与b一致 与b一致
位错缺陷
位错运动方向
螺型位错的滑移
2. 位错的攀移
攀移定义： 攀移定义：位错在垂直于滑移面方向上运动 攀移实质：刃位错多余半原子面的扩大和缩小， 攀移实质：刃位错多余半原子面的扩大和缩小，它是通过物质迁移 即原子或空位的扩散来实现的。 即原子或空位的扩散来实现的。 攀移过程：正攀移 向上运动 负攀移, 向上运动； 攀移过程：正攀移,向上运动；负攀移 向下运动
三、位错的运动
位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。 位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。 在一定的切应力的作用下，位错在滑移面上受到垂至于位 在一定的切应力的作用下， 错线的作用力。当此力足够大， 错线的作用力。当此力足够大，足以克服位错运动时受到的阻 力时，位错便可以沿着滑移面移动， 力时，位错便可以沿着滑移面移动，这种沿着滑移面移动的位 错运动称为滑移 滑移。 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 攀移。 刃型位错的这种运动称为攀移。
1、位错的滑移 、
刃型位错滑移：对纯刃型位错而言， 刃型位错滑移：对纯刃型位错而言，位错的滑移沿位错 线的法线方向进行。滑移面同时包含柏矢量b和位错线 和位错线。 线的法线方向进行。滑移面同时包含柏矢量 和位错线。 刃位错滑移特点为： 刃位错滑移特点为： 滑移方向⊥ ⊥ 、 τ∥b、b⊥位错线、滑移方向⊥位错线、滑移方向∥b、 具有单一滑移面。 具有单一滑移面。
螺型位错示意图
3. 混合位错
如果局部滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑移范围， 如果局部滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑移范围， 滑移区和未滑移区的交界为曲线AB。 滑移区和未滑移区的交界为曲线 。在A处，位错线和滑移方向 处 平行，是纯螺型位错； 平行，是纯螺型位错；在B处，位错线和滑方向垂直，是纯刃型 处 位错线和滑方向垂直， 位错。其他AB上的各点 曲线和滑移方向既不垂直又不平行， 上的各点， 位错。其他 上的各点，曲线和滑移方向既不垂直又不平行， 原子排列介于螺型和刃型位错之间，所以称为混合型位错 混合型位错。 原子排列介于螺型和刃型位错之间，所以称为混合型位错。
3.4.3位错的运动
材料科学基础有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）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τc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。
材料科学基础I 7-2 线缺陷——位错的基本概念
五、位错密度
晶体中位错的量（多少）通常用位错密度来表示：
S (cm/ cm3)
V
V——晶体的体积，cm3 S——该晶体中位错线的总长度，cm
为了简便，把位错线当成直线，而且是平行地从晶体的一面 到另一面，这样上式可变为：
n l n 1/ cm2 lA A
n——面积A中见到的位错数目，个、条 l ——每根位错线长度，近似为晶体厚度。
3、左、右旋螺型位错的规定
左旋螺型位错：符合左手定则(上图) 右旋螺型位错：符合右手定则(下图)
三、柏氏矢量(Burgers vector) 1、柏氏矢量b的确定方法
2、柏氏矢量b的物理意义
柏氏矢量b是描述位错实质的重要物理量。它反映了柏氏回 路包含位错所引起点阵畸变的总积累，通常将柏氏矢量称为位 错强度。位错的许多性质，如位错的能量、应力场、位错反应 等均与其有关。它也表示出晶体滑移的大小和方向。
滑移面——位错线l与柏氏矢量b构成的平面(l ×b)。
滑移方向v、位错线l 、柏氏矢量b之间的关系： 滑移方向与柏氏矢量方向相同，与位错线垂直：v // b ⊥ l
2、攀移
只有刃型位错才能发生攀移运动，即位错在垂直于滑移面 的方向上运动。其实质是构成刃型位错的多余半原子面的扩 大或缩小，它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。 通常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。
分界面， l×v所指向的那部分晶体必沿着b方向运动。
这个规则对刃型位错、螺形位错、混合型位错的任何运动
（滑移、攀移）都适用。
l
v
二、螺型位错的运动
螺型位错只能滑移，不能攀移。
动画
螺型位错的运动方向v与位错线l、柏氏矢量b垂直： v⊥ l // b
8 位错理论基础
晶体特性与P-N力： • fcc结构的位错宽度W大，其P-N力小，故其 容易屈服； • bcc相反，其屈服应力大； • 共价键和离子键晶体的位错宽度很小，所以 表现出硬而脆的特性。
滑移面、滑移方向与P-N力： • P-N力与(-d/b)成指数关系； • 密排面的面间距d最大，降低P-N力； • 沿密排方向的位错线最稳定，因为相邻密排 方向之间的间距 b大，因而P-N力也大。
b2
刃型位错 的扭折
b2 b1
b1
刃型位错 的割阶
3.螺型位错间的交割 位错线和柏氏矢量都垂直的两个螺型位错交割 后，两个螺型位错上都形成刃型位错型的割阶。
b1
刃型位错 的割阶
b2
b2
刃型位错 的割阶
b1
4. 扭折与割阶的性质 • 所有的割阶都是刃型位错,而扭折可以是刃 型的也可是螺型的。
• 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, 且扭折在 线张力作用下能够消失。
四. 位错的应变能
位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能 量增加, 这部分能量称为位错的应变能，或称为 位错的能量。
位错的应变能分为两部分：
中心区域的应变能 Wc：约占位错总能量的 10％, 计算复杂, 通常忽略不计去。 中心区域以外的应变能 We：占位错总能量的90 ％左右。
单位长度刃型位错 的应变能为:
一.位错间的交互作用
1. 两平行螺型位错的交互作用
在b1应力场作用下，b2 受力为
两位错同号取正,为斥力; 异号取负,为引力。
结论： • 平行螺型位错间的作用力大小与b的乘积成正 比,与位错间距成反比； • 其方向垂直位错线。 bl 与 b2 同向时 ,两位错相 互排斥, 反向时相互吸引。
刃位错和螺位错的讨论
a）
（b）
（c）
（d）
（a）原始状态的晶体（b）（c）位错滑移中间阶段（d）位错移出晶体表面， 形成一个台阶
3
LOGO
(a)
4
(b) 刃型位错的滑移
(c)
LOGO
τ
滑移面
τ
5
滑移台阶
LOGO
6
螺位错滑移
螺位错沿滑移面运动时，周围原子动作情况如图。 虚线－－为螺旋线原始位置， 实线－－位错滑移一个原子间距后的状态。
8
LOGO
9
位错的滑移特征
位错 类型 柏氏 矢量 位错线 运动方向
LOGO
晶体滑移 切应力 滑移面 方向 方向 数目
刃型 位错
螺型 位错 混合 位错
⊥位错线
∥位错线
⊥位错线本身 与b一致
⊥位错线本身 与b一致
与b一致 唯一 确定 与b一致 多个 与b一致
成角度
⊥位错线本身 与b一致
1运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半部 刃位错滑移 移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为 b的台阶。 刃型位错的柏氏矢量 b与位错线t互相垂直，故滑移面 • 位错扫过整个滑移面，即位错运动移出晶体表面时，滑移面两边晶体将产生 一个柏氏矢量（ b）的位移。 为 b与 t 决定的平面，它是唯一确定的。刃型位错移动 • 刃位错移动方向：与位错线垂直，即与其柏氏矢量b 一致。 的方向与 b方向一致，和位错线垂直。 • 刃位错滑移面：由位错线与其柏氏矢量所构成平面。
位错绕过障 碍物的机制
Thank you very much!
LOGO
在切应力τ作用下，当原 子做很小距离的移动时， 螺位错本身向左移动了一 个原子间距。 滑移台阶(阴影部分)亦向 左扩大了一个原子间距。
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。
金属中的位错运动及其对材料性能的影响
金属中的位错运动及其对材料性能的影响在材料科学领域中，位错是一种重要的材料缺陷，它指的是晶体中未能继续延伸的位置。
位错在金属中的运动是材料变形的主要原因之一。
位错的运动不仅会影响金属的机械性能，同时还会影响其电学、热学和化学性能。
因此，位错运动的研究是金属材料科学中的一个重要方向。
一、金属中位错的类型在金属材料中，有三种类型的位错：缺陷位错、滑移位错和螺位错。
缺陷位错形成于晶体内的空缺或夹杂，这些缺陷或夹杂通常是由于材料的加工或成形过程中产生的。
当晶体中形成位错时，它们可能会使晶体显得畸变或高度压缩，从而导致其他位错的形成。
滑移位错是开放堆积错的一种形式。
当晶体中的原子在确定的晶面上产生接触，然后沿着晶体的断裂面进行滑移时，就会形成滑移位错。
螺位错是位错的一种特殊类型。
它沿着某个晶面的螺旋方向滑移，具有某些独特的滑移特性。
二、位错的运动位错的运动可以发生在三个方向上：横向、长向和微观横向。
横向位错运动是指沿同一个平面的位错之间的相互作用；长向运动是指在平行于某一晶面或晶体轴的方向上的位错滑动；微观横向运动可以在晶体中的米级或亚微米尺度上发生变形。
当一个应力作用于金属的时候，它会在位错周围产生弹性应变。
当作用于该应力的原子增加时，位错会越过其位于晶体中的最低点，进入新的位于它之前的位置。
当位错靠近晶体的表面时，其运动受到侧面表面的拘束，这通常会导致表面的形状畸变。
因此，在相对较弱的应力下，位错通常更容易在晶体的内部发生运动，而在表面上容易留下痕迹。
三、位错运动对材料性能的影响位错运动对材料性能的影响非常重要。
由于位错运动的存在，金属的塑性能力得以发挥。
滑移位错在外部应力的作用下可以在晶体中移动并暴露新的原子来增加晶格常数，从而改变金属的体积和形状。
该过程是金属变形和加工的基础。
另一方面，位错的存在不仅可以引起材料变形，也可以导致材料的断裂和开裂。
当位错滑动时，其周围的晶体结构会发生变化，从而导致局部的结构扭曲和应力集中。
位错的运动条件
位错的运动条件1. 位错要运动啊，那得有足够的能量才行呢，就像人要跑步，得吃饱饭有力气呀。
我有个朋友研究金属材料，他发现那些加热后的金属，里面的位错就开始活跃起来，为啥呢？因为加热给了位错能量呀，就像给汽车加满油，它就能跑起来啦。
2. 位错想运动呀，应力可是个关键因素哦。
这应力就好比是推一把位错的手。
你看建筑工地上那些钢梁，承受压力的时候，钢梁里的位错就会根据应力的情况开始运动啦。
要是没有应力，位错就像个懒虫，动都不想动呢。
3. 位错的运动也得看周围的环境呀，就像鱼在水里游，水的情况很重要。
我认识一个搞科研的同学，他做实验发现，在纯净的晶体环境里，位错运动就比较顺畅，就像在清澈的水里游泳的鱼。
可要是晶体里杂质多了，位错运动就会磕磕绊绊的，就像鱼在满是水草的水里游。
4. 位错运动还跟晶体结构有关呢。
这晶体结构就像是位错运动的轨道。
我听一个专家说，在简单立方晶体里，位错运动的路径就比较规则，就像火车在笔直的铁轨上跑。
而在一些复杂晶体结构里，位错运动就像走迷宫，得费好大劲儿呢。
5. 温度对位错运动也有很大影响啊。
温度高的时候，位错就像被注入了活力剂一样。
就拿做陶瓷的师傅来说，他们在烧制陶瓷时，高温下陶瓷材料里的位错就活跃起来了，要是温度低了，位错就像被冻住了，动都动不了，真让人着急啊。
6. 位错的运动离不开原子的活动，原子就像位错的小伙伴。
我在书上看到一个例子，在一些金属合金里，原子排列方式一变，位错运动也跟着变。
就好像小伙伴们改变了排队方式，那原本一起行动的位错也得跟着调整自己的运动路线，是不是很有趣呢？7. 位错运动还和外力的方向有关系呢。
这外力方向就像指挥棒，指挥着位错往哪运动。
我同事做材料拉伸实验的时候发现，沿着某个方向拉材料，位错就朝着拉力的方向运动，要是外力方向变了，位错就像听话的小兵，马上调整自己的运动方向。
8. 晶体内部的缺陷有时候也会影响位错运动。
这些缺陷就像路障一样。
我和一个材料工程师聊天，他说在有些晶体里有孔洞或者其他缺陷，位错运动到那儿就可能被挡住，就像汽车在路上遇到石头，得想办法绕过去或者把它移开才能继续前进。
位错的运动知名专家讲座
位错塞积群旳一种主 要效应就是：在它旳 前端引起应力集中。
三、位错旳交割：两位错相互交割，必在对方留下一 种与本身柏氏矢量大小、方向相同旳一小段位错。
1. 扭折 若小段位错位于原位错旳 滑移面上，因为线张力旳 作用，经过滑移可使小段 位错消失。
2. 割阶 若小段位错垂直于位错
旳滑移面与原位错旳滑移 面不同，小段位错不可能 靠滑移而消失。
考虑到实际晶体中位错是弯曲 旳，在远处旳应力场可能会有 部分抵消，使位错线旳线张力 不大于直位错线，一般用Gb2/2 作为位错线张力旳估算值。位 错线张力在数量上与单位长度 旳位错能相等，但要注意两者 不同旳物理意义和不同旳量纲。
第四节 在整体中旳位错
晶体中有大量位错存在，要考虑它们之间旳相互作用 及作为群体旳位错旳特征。
3. 混合位错旳滑移
沿柏氏矢量方向对晶 体施加应力，则A、B 处为符号相反旳刃位 错，C、D处为符号相 反旳螺位错，在相同 旳外力作用下，各自 运动方向相反，故位 错环只能收缩或扩展 。一样是晶体产生一 种b大小旳宏观变形。
4. 位错滑移旳方向
三、位错旳攀移
刃型位错在垂直于滑移面方向旳运动称为攀移。这 相当于多出半原子面、位错旳滑移:外切应力作用下，位错在滑移面上旳运动，造成晶体永 久变形。
1.刃位错旳滑移： 位错滑移是在切应力作用下，经过位错中 心附近旳原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地做少许旳位 移（不大于一种原子间距）而逐渐实现旳。位错运动到哪里， 哪里就出现多出半原子面。在切应力作用下，滑移面上方每 列原子只移动了b/6，位错就移动了一种原子距离b，多出半 原子面也移动了一种原子距离在晶体表面出现一种滑移台阶， 这种滑移方式所需要旳应力比晶体作整体运动所需旳应力要 小得多。
位错
2.8.1 塞积图象
﹡塞积图象
滑移面上的障碍阻碍位错的滑移，许 多平行的刃位错会在障碍前规则排列起来, 称为位错塞积。
如在石铜晶体中看到此种现象。由于 各位错的弹性交互作用，塞积群中位错的 规律性：前端密集，后面逐渐稀疏。
• 位错塞积的现象可用来解释塑性变形传播、加工硬
化和断裂。
• 位错受外力作用推着前面位错继续前进，而前面被 障碍物阻挡的位错对后面的位错有一斥力。使后面 位错停滞。 • 整个位错塞积群对位错源有一个反作用力。塞积群 中位错数目n越多，对位错源的反作用力越大。
2.8 实际晶体中的位错
1. 全位错和不全位错 2. 位错的分解与合成－Frank定律 3. 晶体的配置图 4. 面心立方晶体中的不全位错 堆垛层错、肖克莱位错、扩展位错、汤姆逊四面 体 Frank位错、 5. 扩展位错的束集与交滑移 6. 密排六方晶体中的不全位错 7. 体心立方晶体中的不全位错
1.ΔV=0时——保守运动——滑移
ds nds dl dd V ds b n b ds 则b n 0, V 0
b在d s 面上，即b n
2.ΔV≠0时----非保守运动
若 b 与 n 不垂直时，非保守运动可以分解
Y Y b1 A b2 B A
b2
B
X
X
例三：1个刃位错与相互垂直的1个螺位错相 交割，b1 b2 两位错运动交割后，在CD上 产生扭折QQ’，在AB上产生割阶PP’ (刃)， 可以和位错一起滑移(称滑移割阶)
D b
2
D D
b
2
P’ B B
Q
Q’
P
b
1
b A 1
材料科学基础第四章7-2运动的位错
转到I´面上，F－R源
沿I´面滑移
5
障碍物
x
滑移
vb
面
y
x '' vb y ''
交滑移 面
滑移面
极轴
位错
x' x
b
y' y
6
二、障碍物切开（cut-through）
当沉淀物强度较低时，运动的位错可能使障碍物切开
7
三、绕过障碍物（go-round / make-detour）
运动的位错遇到障碍物时，相当于两个L型位错源的 作用会绕过障碍物，留下一个位错环。
PP’的 滑移面
16
总结:
1. $ on ⊥ (⊥-⊥ ( b1// b2) ) —— 弯折
(对位错形状没有影响
对进一步滑移没有影响)
2. ⊥ on ⊥ (⊥-⊥ (b1⊥b2) 或 ⊥-$ ) —— 割阶
(能够跟其他位错段继续往前滑移)
3. ⊥ on $ (⊥-$ 或 $-$ ) —— 割阶或弯折 （割阶妨碍该位错继续滑移）
21
22
23
作业： 4－17 4－18 4－21
24
18
1）短割阶（short jog）：
螺型位错运动在滑移时有可能曳着短割阶一道 运动，而在点阵中留下若干空位。
19
2）长割阶（long jog）：
形成两个同极轴的L型位错源，在不同的滑移面 上扫动。
20
3）中割阶（medium jog）：
形成位错偶极子 (dislocation dipole) 残屑（小位错环）debris
A
①
b v
v
I
B
v
v
第3章 3.2.2位错的能量性质及运动
：泊松比
Gb y (3 x 2 y 2 ) Gb y( x 2 y 2 ) x y 2 2 2 2 (1 ) ( x y ) 2 (1 ) ( x 2 y 2 ) 2
z ( x y )
xy
Gb x( x 2 y 2 ) 2 (1 ) ( x 2 y 2 ) 2
螺位错滑移
27
螺位错沿滑移面运动时，周围原子动作情况如图。 虚线－－为螺旋线原始位置， 实线－－位错滑移一个原子间距后的状态。
（a）原始位置；
（b）位错向左移动一个原子间距 螺型位错滑移
螺位错滑移（立体图）
28
滑移台阶不断向左扩展。
螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程 （a）原始状态的晶体；（b）（c）位错滑移中间阶段；（d）位错移出晶体表面，形成一个台阶。
5
用圆柱坐标方式表达九个应力分量： 正应力分量：σrr、σθθ、σzz）， 切应力分量：τrθ、τθr、τθz、τzθ、τzr、τrz
下角标： 第一个符号表示应力作用面的 外法线方向， 第二个符号表示应力的指向。
6
在平衡条件下，τxy=τyx、τyz =τzy、τzx =τxz （τrθ =τθr、τθz =τzθ、τzr =τrz）， 实际只有六个应力分量就可充分表达一个点的应力状态。
xz
Gb y ( 2 ) 2 2 x y
yz
Gb x ( 2 ) 2 2 x y
G切变模量
xy 0
xx yy z z 0
2、圆柱坐标表示螺位错周围的应变分量：
z z
b 2r
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刃型位错的滑移
τ
τ
出现位错，产生滑移
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刃型位错的滑移
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出现位错，产生滑移
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位错的易动性
处于1 或2 处的位错，其两侧原子处于对称状态，作用在位错 上的原子互相抵消，位错处于低能量状态
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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
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2）τp-N随a值的增大和b值的减小而下降
晶体中原子最密排面其面间距a为最大，原子最密排方向其b值为最 小，可解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和 原子密排方向进行
3）τp-N随位错宽度减小而增大
可见强化金属途径：一是建立无位错状态，二是引入大量位错或其 它障碍物，使其难以运动
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(2-5)
b为柏氏矢量；G为切变模量；ν为泊松比；w为位错宽度， 它等于a/(1-ν)；a为滑移面的面间距
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位错运动阻力—派纳力
位错由1→2经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进
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位错运动的其它阻力
• 1.其它位错应力场的长程内应力作用；位错运动时发生交截，形成割阶、 空位、间隙原子、位错反应等 • 2.其它外来原子阻力，如位错线周围的溶质原子聚集的短程阻力，第二 相粒子对位错运动的长程阻力 • 3.高速运动位错（超过该介质中声速的1/10）还受到其它阻尼 • a.热弹性阻尼：高速运动可看成绝热过程，快速压缩导致温升，快 速膨胀导致温度降低，温差使机械能转变为热能，引起阻尼 • b.辐射阻尼：运动时在势能峰谷间起伏，遇到峰减速，遇到谷加速， 周期性的加速、减速散射弹性波，损失能量，带来阻尼 • c.声波散射阻尼：运动位错与声波作用，一是位错中心非线性应变 区直接散射声子，二是声波在位错线上使位错振荡向外辐射弹性波
位错环的运动
• 位错在滑移面上自行封闭形成位错环，位错环的柏 氏矢量正好处于滑移面上 • • 符号相反的混合位错在同一切应力作用下滑移方向 符号相反的混合位错在同一切应力作用下滑移方向 正好相反 正好相反
混合位错包含螺型位错，所以只能滑移，不能攀移
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2．刃型位错的攀移
攀移----刃型位错垂直于滑移面方向的运动
攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下运动，于是位错线亦向上或 向下运动 通常把半原子面向上移动称为正攀移，半原子面向下移动称为负攀移 攀移是通过原子的扩散来实现的 空位反向扩散至半原子面的边缘形成割阶 随着空位反向扩散的继续，当原始位错线被空位全部占据时，原始位错 线向上移动了一个原子间距，即刃型位错发生正攀移 原子扩散至刃型位错半原子面的下方，使整条位错线下移了一个原子间 距，位错发生负攀移
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
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螺型位错的运动
●代表下层晶面的原子；○代表上层晶面的原子
下 层 晶 面 原 子 受 力 上 层 晶 面 原 子 受 力
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2.3
位错的运动
晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来实现的
晶体中存在位错时，只需用一个很小的推动力便能 使位错发生滑动，从而导致金属的整体滑移，这揭 示了金属实际强度和理论强度的巨大差别 金属的许多力学性能与位错运动密切相关
攀移
空位和原子的扩散，引起晶体体积变化，叫非守恒 （非保守）运动 影响攀移因素
①温度 温度升高，原子扩散能力增大，攀移易于进行
② 正应力 垂直于额外关原子面的压应力，促进正攀移 拉应力，促进负攀移
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刃型位错的滑移
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τ
位错滑移出晶体表面，产生滑移台阶
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刃型位错线的滑移
τxy使位错线AB沿－x方向滑移
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2.3.2 螺型位错的运动
螺位错无多余半原子面，只能作滑移
在切应力作用下，位错线沿着与切应力方向相垂直的方向运动，直至消失 在晶体表面，只留下一个柏氏矢量大小的台阶 螺型位错移动方向与柏氏矢量垂直，位错线方向与柏氏矢量平行 螺型位错的滑移没有固定的滑移面，螺型位错的滑移面是一系列以位错线 为共同转轴的滑移面，理论上它可以在所有包含位错线的平面进行滑移
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刃型位错的攀移
位错的正攀移过程
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刃型位错的滑移
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完整晶体
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刃型位错的滑移
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出现位错，产生滑移
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刃型位错的滑移
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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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混合位错运动
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螺型位错位臵
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螺型位错的运动
●代表下层晶面的原子；○代表上层晶面的原子
下 层 晶 面 原 子 受 力 上 层 晶 面 原 子 受 力
螺型位错位臵
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位错线的滑移
• 切应力作用下，位错线沿着位错线与柏氏矢量确定的唯一 平面滑移
• 位错线移动至晶体表面时位错消失，形成一个原子间距的 滑移台阶，大小相当于一个柏氏矢量的值 • 大量位错重复此过程，就在晶体外表面形成肉眼可见的滑 移痕迹 • 位错的滑移不会引起晶体体积的变化（ΔV=0），滑移运 动称为保守运动或守恒运动
5/3/2014
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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
位错移动受到一阻力——点阵阻力，又叫派—纳力（PeirlsNabarro） 此阻力来源于周期排列的晶体点阵