材料微观结构第四章晶体中的位错与层错2

Q：如何从位错的角度理解层错的形成？
若晶体以全位错b=a/2[101]向右滑移，则C层原 子应该从左C到右C，需要 越过一个“脊”，能量较 高。
若从左C→右下方A→右C， 分两步走，也可达到同样 目的。
即全位错分解为两个不全 位错：
a/2[-101]→a/6[-211]+a/6[-1-12]
3. 孪晶
ABCABCBACBA… 可以看出以C为中心，左右侧的排列是镜向对称 的，称为孪晶，又叫反映型层错
图4-9 面心立方晶体中{111} 面反映孪晶的〈110〉投影图
沿着孪晶界面， 孪晶的两部分完全密 合，最近邻关系不发 生任何改变，只有次 近邻关系才有变化， 引入的原子错排很小， 称共格孪晶界面。孪 晶界面的能量约为层 错能之半。
层错能与扩展位错宽度的关系
d Gb1b2
8k
成反比： γ大，d小；γ小，d大。
如奥氏体不锈钢γ=1.31*10-5J/cm2，d有几 十~上百个原子宽度；Al的γ很高，d仅有12个原子间距，观察不到。
(2) 扩展位错与束集
当扩展位错区遇到障碍(杂质原子、第二相粒子、位错林 等)，这些区域能量升高，扩展位错在此处宽度缩小，甚至成
通过密排面原子的定向切变滑 移，也能改变密排面的正常排 列顺序。切变滑移量
b=1/6<112>，是为Schockly不 全位错。如图4-8(d)所示，把(-
111)面上任一层原子中的各C位 置的原子均沿[-211]方向滑移 1/6[-211]距离达到相应的A位置， 此C层以上各层原子作顺序滑移： A→B→C→A，这样便得到了 ABCABABCABCABC…顺序， 和上述抽出C层的结果是相同的。
从面心立方金属中的 位错―汤普森作图法 可知
对应着： AC－＞δC＋A δ
扩展位错----
通常把一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位 错组态称为扩展位错
由图可知，a/6[-211]和 a/6[-1-12]两个不全位错之 间的夹角为60度，它们之 间有一斥力，因相斥而分开， 中间夹着一片层错，两不全 位错加它们中间的层错，便
该位错反应能够进行
1.FCC中的层错与扩展位错
(1)FCC层错的基本类型，如Al, Cu, Ag, Au
FCC金属密排面｛111｝ 正常堆垛顺序是 ABCABCABC…
如果不按正常顺序出现 ABCABABC…或 ABCABACABC…，即少 了C或多了A，出现错排， 就会有层错。
1.抽出型层错(内禀型) 2.插入型层错(外禀型)
(2) 能量条件： Σb2前>Σb2后 位错反应后应变能必须降低，此是反应驱动力。
以a/2[-110]→a/6[-12-1]+a/6[-211]为例
(1) 几何条件 反应前：a/2[-110] 反应后：a/6[-12-1]+a/6[-211]=a/6[-330]=a/2[-110] Σb前=Σb后 (2) 能量条件 反应前： Σb2前=[a/2SQRT((-1)2+12+02)]2=a2/2 反应后： Σb2后=[a/6SQRT((-1)2+22+(-1)2)]2 + [a/6SQRT((-2)2+12+12)]2 =a2/3 Σb2前>Σb2后
层错给予两个不全位错一个吸力
不全位错又存在一个斥力
平衡后，决定了扩展位错宽度
F Gb1b2
8kd
G为材料切变模量；γ为层错能；k是一个决定于分解反应前全位错类型 的常数，F= γ时，获得平衡的扩展位错宽度d:
d Gb1b2
8k
1 2 (1 2 cos) k 1 2
a/2[-101]→a/6[-211]+a/6[-1-12]
从几何条件上看： a/6[-211]+a/6[-1-12] ＝a/6[-303]=a/2[101]
Σb前=Σb后 从能量上看， {a/2[-101]}2>{a/6[-211]}2+{a/6[-1-12]}2 即a2/2>a2/6+a2/6，也是可行的。
是扩展位错。
两个不全位错之间的宽度
d―扩展位错宽度
（a）BF
（b）220/660 WBDF
照片61 Nimonic高温合金γ基体中的扩展位错
照片9 Ni基(6.7%)超合金中的扩展位错 位错从位于A、B、C处的源出发，沿[110]方向扩展
层错能
为了降低两个不全位错间的层错能，力求把两个不全位错的间距缩小， 这相当于给予两个不全位错一个吸力，数值等于层错的表面张力 （即层 错能）
面缺陷，与材料的力学性能很相关
层错与全位错的分解密切相关
不全位错（层错和完整晶体的边界） 扩展位错
位错反应
位错具有很高的能量,因此它是不稳定的.在
实际晶体中,组态不稳定的位错可以转化为组 态稳定的位错,这种位错之间的相互转化称为 位错反应.位错反应的结果是降低体系自由能.
位错反应的可能性
(1) 几何条件：Σb前=Σb后 反应前后分矢量之和必须相等。
为节点，称为束集，如图C点。此处原来分解了的两个不全
位错重新合并成为全位错。
形成束集所需之能量
1.不全位错间距缩小 2.束集附近wenku.baidu.com错形成弧线增加了应变能 3.因为位错线增长而增加的能量
不同金属的扩展位错的平衡宽度不同，束集能也 各异，夏克和西格测得铝和铜的束集能是：
Al: γ刃=0.21eV γ螺=0.11eV Cu: γ刃=3.9eV γ螺=0.84eV
上节课内容回顾
根据原子的滑移方向和位错线取向的几何 特征不同，位错可以分为哪几种类型？都 是什么样的？
什么是柏氏矢量b？能量最稳定的b是怎样 的？
位错按照b是否为点阵周期的整数倍可以分 为哪几种位错，哪一个能量上最稳定？
什么是柏氏矢量的守恒性？
4.3.3 全位错分解、层错、扩展位错
抽出型层错：上面的A层和下 面的B层崩塌向中心挤压
插入型层错：从别处扩散来 的许多溶质原子，并形成了 一个多余的A原子片层，并塞 进了正常顺序的BC之间，使 得中央部分出现了BAC这样 的三层错排。
图4－8(b)(c)均标有 “⊥”，相对于其左右正 常排列的ABCABC来说， 显然发生了不全位错，称 为Frank不全位错， b=±1/3<111>，为纯刃型 位错。