材料微观结构晶体中的位错与层错学习教案.pptx

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1、会计学 1材料(cilio)微观结构晶体中的位错与层错第一页，共37 页。将(1-10)面躺平，原子在(1-10)面上的投影如下(rxi)图所示，“”和“”分别代表上下两层原子。图中由左上指向右下方的实线是(112)面在(1-10)面上的投影迹线。BCC(112)面各原子层的堆垛顺序是：A1A2B1B2C1C2 A1A2B1B2C1C2。第1 页/共36 页第二页，共37 页。每两个相邻的 每两个相邻的(112)(112)面的间距为 面的间距为a/6112 a/6112，但彼此相对位移一个矢量，此矢量在，但彼此相对位移一个矢量，此矢量在11-1 11-1 和 和1-10 1-10 方向 方向(

2、fngxing)(fngxing)的分量分别为 的分量分别为a/611-1 a/611-1 和 和a/21-10 a/21-10。下图表示的。下图表示的是以 是以C2 C2 表示的 表示的(112)(112)为镜面，为镜面，(1-10)(1-10)面的原子沿 面的原子沿11-1 11-1 方向 方向(fngxing)(fngxing)滑移 滑移1/611-1 1/611-1 或沿反方向 或沿反方向(fngxing)(fngxing)滑移 滑移1/3-1-11 1/3-1-11 而形成的。而形成的。第2 页/共36 页第三页，共37 页。孪晶的切变为：这和莫特1951 年在-Fe 中的观察结果(

3、ji gu)一致。第3 页/共36 页第四页，共37 页。(2)BCC 全位错的分解(fnji)与层错BCCBCC中全位错的分解中全位错的分解BCCBCC金属的滑移方向是金属的滑移方向是，全位错柏氏矢，全位错柏氏矢量为量为a/2a/2。滑移面有三种类型滑移面有三种类型110(3110(3个同族面个同族面)、112(3112(3个个)和和123(6123(6个个)，它们都包含，它们都包含(bohn)(bohn)方向。这些面都方向。这些面都 会相交于一会相交于一个个方向，所以方向，所以BCCBCC会经常出现交滑移。会经常出现交滑移。电镜中会经常看到波纹状的滑移线，这说明电镜中会经常看到波纹状的滑移

4、线，这说明层错能层错能很高，扩展位错宽度很高，扩展位错宽度dd很小，一般很小，一般观察不到。至今未见这方面的报道。观察不到。至今未见这方面的报道。第4 页/共36 页第五页，共37 页。BCC 中还有一种(y zh n)次短全位错a若按下式分解：容易计算(j sun)反应前后的能量分别为a2 和3a2/2，能量升高，不可取。但下述反应可以(ky)进行：第5 页/共36 页第六页，共37 页。BCCBCC中的全位错存在中的全位错存在(cnzi)(cnzi)着分解的可着分解的可能性能性n n 即它的滑移不对称性，晶体单向压缩和同一晶向拉伸时可观察到不同的滑移面。这说明在某一滑移面上沿某一方向运动所

5、需之切应力与在此滑移面上沿相反方向运动所需之切应力是不同的。由此推测BCC 金属中全位错芯区的原子弛豫状况是不对称的。这种位错芯区弛豫不对称，说明在一定外力条件(tiojin)下，全位错仍然可能分解。第6 页/共36 页第七页，共37 页。BCCa/2 全位错的分解(fnji)n n 在 在a/2 a/2 全位错的 全位错的诸多可能分解中，从 诸多可能分解中，从能量上考虑 能量上考虑(k(k ol ol)应 应是形成 是形成a/6 a/6 不全 不全位错的那些分解。因 位错的那些分解。因为从能量上考虑 为从能量上考虑(k(k ol ol)，这样的反应，这样的反应是可以自动进行的。是可以自动进行

6、的。第7 页/共36 页第八页，共37 页。BCC BCC 中 中a/2 a/2 型全位错的分解 型全位错的分解(fnji)(fnji)，主要结论如下：，主要结论如下：n n 若a/6 沿112 扩展，将形成如左图所示的孪晶薄层。这时的领先位错为a/311-1，此方向正好是孪生的逆方向，原子(yunz)错排严重，层错能很高，分解将是不稳定的。第8 页/共36 页第九页，共37 页。若全位错平行于若全位错平行于111111，则为螺位错，分，则为螺位错，分解解(fnji)(fnji)可按下式进行：可按下式进行：三个 三个a/6111 a/6111 位错分别扩展到三个相交的 位错分别扩展到三个相交的

7、112 112 面上，如图 面上，如图(a)(b)(a)(b)，此时，此时(c(c sh)sh)分解后的位错组态极不稳定，以致常转成非对称分 分解后的位错组态极不稳定，以致常转成非对称分布，如图 布，如图(c)(c)。第9 页/共36 页第十页，共37 页。全位错全位错a/2111a/2111在在110110上运动上运动(yndng)(yndng)，可以通过下述反应完成：，可以通过下述反应完成：第10 页/共36 页第十一页，共37 页。BCC 中的层错n nBCCBCC完整晶体的完整晶体的112112堆垛顺序为堆垛顺序为A1A2B1B2C1C2A1A2A1A2B1B2C1C2A1A2，有时也

8、记，有时也记作作ABCDEFABABCDEFAB，当，当112112堆垛顺堆垛顺序发生错排时，便形成层错，分三序发生错排时，便形成层错，分三种种(sn zh(sn zhnn)情况：情况：第11 页/共36 页第十二页，共37 页。第一种情况(qngkung)参看图 参看图4-11(c)4-11(c)，正常排列顺序中，正常排列顺序中，若 若C1 C1 层上面的晶体 层上面的晶体(jngt(jngt)相 相对下面晶体 对下面晶体(jngt(jngt)作 作a/611-1 a/611-1或 或a/3-1-11 a/3-1-11 位移，便产生内禀 位移，便产生内禀层错，如图 层错，如图4-14(a),

9、4-14(a),其顺序是 其顺序是A1A2B1B2C1C2C1C2A1A2B1B2C A1A2B1B2C1C2C1C2A1A2B1B2C1C2 1C2，这相当于正常顺序中插，这相当于正常顺序中插进 进C1C2 C1C2 两层。而 两层。而C2C1C2 C2C1C2 正好是 正好是一个三原子层的薄层孪晶。这 一个三原子层的薄层孪晶。这相当于 相当于FCC FCC 中的插入型层错。中的插入型层错。第12 页/共36 页第十三页，共37 页。第二种情况(qngkung)参看图 参看图4-14(b)4-14(b)，若正常排列中某，若正常排列中某C1 C1 的原子 的原子(yunz(yunz)层作 层作

10、a/311-1 a/311-1 或 或a/6-1-a/6-1-11 11 滑移，此时 滑移，此时C1 C1 层变成了 层变成了A1 A1 层，以后各层顺序位错 层，以后各层顺序位错a/311-1 a/311-1 或 或a/6-1-11 a/6-1-11，就得到图 就得到图4-14(b)4-14(b)的新排列：的新排列：C1C2A1A2B1B2A1A2B1B2C1C2 C1C2A1A2B1B2A1A2B1B2C1C2，这相当于正，这相当于正常顺序中抽出了 常顺序中抽出了C1C2 C1C2，其结果是形成了四层层错，其结果是形成了四层层错A1A2B1B2 A1A2B1B2，这和，这和FCC FCC

11、的 的抽出型层错相当。抽出型层错相当。第13 页/共36 页第十四页，共37 页。第三种情况(qngkung)参看图 参看图4-11(d)4-11(d)，这是，这是BCC BCC 层错的特例，也是典型的 层错的特例，也是典型的BCC BCC 孪晶排列。形 孪晶排列。形成 成(xngchng)(xngchng)过程是含中间的 过程是含中间的C2 C2 的上半部各层顺序不动，中间 的上半部各层顺序不动，中间C2 C2 以 以下各层 下各层112 112 滑移 滑移a/611-1 a/611-1 或 或a/311-1 a/311-1，于是，于是A1C1 A1C1，A2B2 A2B2，B1 B1 不

12、不动，动，B2A2 B2A2，C1A1 C1A1 最终形成 最终形成(xngchng)(xngchng)下述顺序：下述顺序：A1A2B1B2C1C2C1B2B1A2A1 A1A2B1B2C1C2C1B2B1A2A1，这就是典型的，这就是典型的BCC BCC 孪晶。孪晶。第14 页/共36 页第十五页，共37 页。3.密排六方晶体(jngt)中的层错与扩展位错n n HCP HCP 晶体中密排面是 晶体中密排面是(0001)(0001)，整，整个晶体以它为基面一层一层按 个晶体以它为基面一层一层按ABABAB ABABAB 顺序堆垛，如果出 顺序堆垛，如果出现 现ABABABCABAB ABAB

13、ABCABAB，如图，如图4-4-15 15，那么其中的，那么其中的ABC ABC，CAB CAB，ABCAB ABCAB 都是错排，即层错，它 都是错排，即层错，它们 们(t men)(t men)其实相当于 其实相当于FCC FCC 的堆 的堆垛方式。垛方式。n n 正顺序：正顺序：ABC ABC，BCA BCA，CAB CABn n 逆顺序：逆顺序：CBA CBA，BAC BAC，ACB ACB第15 页/共36 页第十六页，共37 页。ABABCBABABn n 另一种情况是从正常的 另一种情况是从正常的HCP HCP 排列顺序中加入两个 排列顺序中加入两个FCC FCC 排列，如 排

14、列，如ABCBA ABCBA，就形成了中间的五层孪晶。，就形成了中间的五层孪晶。n n 在 在WC WC 硬质合金研究工作中，在粘结相 硬质合金研究工作中，在粘结相Co Co 中曾经 中曾经观察到 观察到HCP HCP 的 的Co Co 中，出现 中，出现(chxin)(chxin)了 了ABC ABC 排列 排列的 的FCC FCC 胚胎，最终形成 胚胎，最终形成FCC FCC 的 的Co Co，即发生了，即发生了CoCo CoCo 的相变。的相变。n n 在电镜观察 在电镜观察HCP HCP 时，若要知道引起层错衬度的 时，若要知道引起层错衬度的(0001)(0001)层数的多少，可以用出

15、现 层数的多少，可以用出现(chxin)(chxin)的 的ABC(ABC(含逆顺序 含逆顺序)的层数减 的层数减2 2 得到，上面两种情况下 得到，上面两种情况下应该是 应该是5-2=3 5-2=3 层，这在计算层错衬度和计算由于层 层，这在计算层错衬度和计算由于层错引起的系统能量升高有用。错引起的系统能量升高有用。第16 页/共36 页第十七页，共37 页。层错和四周完整 层错和四周完整(wnzhng)(wnzhng)晶体的边界，便是不 晶体的边界，便是不全位错 全位错n n HCP HCP 和 和FCC FCC 全位错分解有相似之处，如：全位错分解有相似之处，如：n n FCC FCC：

16、n n HCP HCP：n n 不同之处：不同之处：FCC FCC 全位错分解可在不同滑移面 全位错分解可在不同滑移面上进行，如 上进行，如DAD+A DAD+A 也可以 也可以,而 而HCP HCP 只能 只能(zh nn(zh nn)在一个滑移面上分解 在一个滑移面上分解.全位错的分解过程 全位错的分解过程(guchng):(guchng):先确定 先确定bu bu 分解 分解第17 页/共36 页第十八页，共37 页。4.4 金属形变、强化(qinghu)和断裂的位错理论金属的范性形变 金属的范性形变范性形变：停止用力后，能被保留下来的永久形变。范性形变：停止用力后，能被保留下来的永久形

17、变。范性：与弹性形变相对，固体这种能保留永久形变的 范性：与弹性形变相对，固体这种能保留永久形变的性质，叫范性。性质，叫范性。如：海绵 如：海绵 弹性形变 弹性形变 水泥 水泥 永久形变 永久形变范性形变的内因：位错的运动。范性形变的内因：位错的运动。范性形变主要 范性形变主要(zh(zh yo)yo)表现为：滑移、孪生、扭折。表现为：滑移、孪生、扭折。第18 页/共36 页第十九页，共37 页。1 滑移(hu y)的位错机制n n 金属一般都有一个以上(yshng)的滑移系统(由滑移面和滑移方向构成)n n 当晶体取向正好使得沿某一滑移系统上的分切应力达到某临界值时 单滑移形变；n n 若沿

18、多个滑移系统的分切应力都达到某临界值时，则诸滑移系统同时开动 多滑移形变。第19 页/共36 页第二十页，共37 页。表4-1 FCC 与BCC 中的滑移(hu y)系统最有利的滑移系统总是(zn sh)密排面上的密排方向。第20 页/共36 页第二十一页，共37 页。表4-2 HCP 中预期(yq)和实测的主要滑移面第21 页/共36 页第二十二页，共37 页。HCPHCP滑移系统因受滑移系统因受c/ac/a的影响，使得实测结的影响，使得实测结果与预期的不一致果与预期的不一致(yzh)(yzh)，当，当c/a1.633c/a1.633时，时，实测与预期基本相等。实测与预期基本相等。n n 大

19、多数金属都有很多滑移系，FCC：12 个；BCC：12-24 个；HCP：3-6 个。n n 究竟哪个(n ge)系统先开动？n n 取决于T 和此T 下外力在该系统的分切应力大小。如：高T，BCC均可开动；低T，只有110 开动；外力在该系统上的分切应力达到达到临界值时，即可开动滑移系统。第22 页/共36 页第二十三页，共37 页。表4-3 陶瓷中测出的滑移(hu y)系统第23 页/共36 页第二十四页，共37 页。滑移(hu y)带：位错在滑移(hu y)面上定向运动所造成的晶体滑移(hu y)形变不断积累的结果I.I.晶体滑移不是一次、同步 晶体滑移不是一次、同步完成的，而是逐步推进

20、的 完成的，而是逐步推进的过程。过程。II.II.每向前推进一个 每向前推进一个 b b，滑移面，滑移面就要错动一个原子间距，就要错动一个原子间距，表面上看不到滑动的痕迹。表面上看不到滑动的痕迹。III.III.外力作用下，位错源不断 外力作用下，位错源不断发生新的位错并沿相同滑 发生新的位错并沿相同滑移方向运动，大量 移方向运动，大量(dling)(dling)运动积累结果必 运动积累结果必然在表面上显露出来，就 然在表面上显露出来，就是一个大约包含 是一个大约包含 100 100 个原子 个原子间距的台阶。间距的台阶。IV.IV.通常看到的滑移带宽度是 通常看到的滑移带宽度是m m 级，是

21、许多滑移线重叠 级，是许多滑移线重叠的结果。滑移带 的结果。滑移带 上百根 上百根滑移线 滑移线 上万根位错 上万根位错第24 页/共36 页第二十五页，共37 页。2.孪生(lunshng)的位错机制：单结点极轴机制图 图4-17 4-17 给出了晶体 给出了晶体(jngt(jngt)中孪晶和周围母 中孪晶和周围母体的界面有两种：一种是 体的界面有两种：一种是CV CV 段，界面处两侧点阵完 段，界面处两侧点阵完全匹配，称为共格孪晶界；全匹配，称为共格孪晶界；另一种为 另一种为VI VI 段，两侧晶格 段，两侧晶格不匹配，称为非共格孪晶 不匹配，称为非共格孪晶界，是由一系列孪生位错 界，是由

22、一系列孪生位错组成的界面，能量比共格 组成的界面，能量比共格孪晶界要高。孪晶界要高。第25 页/共36 页第二十六页，共37 页。第26 页/共36 页第二十七页，共37 页。第27 页/共36 页第二十八页，共37 页。第28 页/共36 页第二十九页，共37 页。第29 页/共36 页第三十页，共37 页。建立机制(jzh)需解决的困难：n n 怎样解决这种扫动如何能够连续下去，可以扫过一定厚度的晶区。n n“不全位错”完成一次扫动，正好能提供形成孪晶志需要的孪生(lunshng)切变量。n 既然由平行于孪晶的定向位移形成孪晶，而位移量又是孪生方向原子间距的分数倍，那么也应该(ynggi)

23、可以用不全位错沿平行于孪生面的相继若干个平面的扫动来解释孪晶的形成。第30 页/共36 页第三十一页，共37 页。1951 1951 年，年，Cottrell Cottrell 和 和Bilby Bilby 建立单结点 建立单结点(ji di(ji di n)n)极轴机制 极轴机制AOBC AOBC 是 是(112)(112)面上的全位错，面上的全位错，b=a/2111 b=a/2111。在适当条件下，。在适当条件下，OB OB会分解为：会分解为：OB OB OEDB OB OB OEDB(112)(112)上的 上的OB OB 是纯刃型位错，且不可滑动，故可作为极轴位错，是纯刃型位错，且不可

24、滑动，故可作为极轴位错，O O 可作为机制 可作为机制(jzh)(jzh)所需的结点。所需的结点。OB OB 可继续分解：可继续分解：OB OP OB OPOP OP 垂直于 垂直于(-121)(-121)，长度是，长度是(-121)(-121)的面间距。的面间距。第31 页/共36 页第三十二页，共37 页。OEDB(a/611-1)位错在(112)面上可以在外力作用下向右方扫动，直至OEOE，OEDBOEDB，OE 正好是(-121)和(112)交线方向，故OE位错为螺位错，可向(-121)交滑移，但它是沿以OP 为极轴的旋转面滑动(hudng)，而不是沿固定(-121)滑动(hudng)

25、，每旋转一周，就上升a/6-121 的量，正好是(-121)的面间距。即OE 每纯OP 旋转一周就上升一层(-121)面，如此重复就相当于每一层(-121)面都有一个OE 位错开动，获得均匀切变，形成了所要求的孪晶。图4-18 体心(t xn)立方结构中孪生的单结点极轴机制第32 页/共36 页第三十三页，共37 页。3 扭折的位错机制(jzh)n n 特定取向下，晶体受力，既 特定取向下，晶体受力，既不能滑移，也不能发生孪生 不能滑移，也不能发生孪生形变，为了适应外力，晶体 形变，为了适应外力，晶体发生如图 发生如图4-19 4-19 所示的扭折。当 所示的扭折。当滑移面平行于试样纵轴，即

26、滑移面平行于试样纵轴，即平行于加力的方向，就可能 平行于加力的方向，就可能出现这种取向。出现这种取向。n n 试样沿纵轴压缩 试样沿纵轴压缩(y su)(y su)时 时 扭折。过渡区可视为一系列 扭折。过渡区可视为一系列同号刃位错的有规律排列。同号刃位错的有规律排列。位错线的方向垂直于应力的 位错线的方向垂直于应力的方向。方向。n n 晶体拉伸时也能出现扭折。晶体拉伸时也能出现扭折。第33 页/共36 页第三十四页，共37 页。在 在FCC FCC 的 的Al,Cu,Ag,Au,Ni Al,Cu,Ag,Au,Ni 及 及 黄铜中均发现过扭折带，其晶体学 黄铜中均发现过扭折带，其晶体学关系 关

27、系(gun x)(gun x)有如下关系 有如下关系(gun x)(gun x)：n n 试样轴位于单位三角形中 试样轴位于单位三角形中间 间(zhngjin)(zhngjin)或接近 或接近 大圆时 大圆时 扭 扭折带明显；折带明显；n n 当接近对称线 当接近对称线 不明显；不明显；n n 达到对称线或处于 达到对称线或处于 和 和 方向时 方向时 消失。消失。第34 页/共36 页第三十五页，共37 页。表表4-4 4-4 三种三种(sn zh(sn zhnn)典型金属的滑典型金属的滑移系参数和扭折带要素移系参数和扭折带要素第35 页/共36 页第三十六页，共37 页。感谢您的观看(gunkn)。第36 页/共36 页第三十七页，共37 页。