材料科学基础位错理论共57页
材料科学基础——位错课件
z
b 2 r
螺型位错的应力场
柱面坐标表示：
直角坐标表示：
z z G z
Gb 2r
rr r rz 0
式中，G为切变模量，b为柏氏矢量，r为距位错中心的距离
螺型位错应力场的特点： (1)只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺型位错不引起晶体的膨胀 和收缩。 (2)螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），且螺型位错的应力场 是轴对称的，并随着与位错距离的增大，应力值减小。 (3)这里当r→0时，τθz→∞，显然与实际情况不符，这说明上述结果不适用位错 中心的严重畸变区(r =b)。
因原子间斥力的短程性，能量曲线不是正弦形的，所以上面的估计是过
高的，τc的更合理值约为G/30。实验测定的切变强度比理论切变强度低 2~3 个数量级。 晶体 理论强度（G/30）GPa 实验强度/MPa 理论强度 /实验强度
Fe Al Cu Ni Mo Ti
（柱面滑移）
7.10 2.37 4.10 6.70 11.33
位 错 （Dislocations）
位错基本知识
主要内容
概论
位错的应力场
位错的应变能 位错受力 位错的运动 割阶及其运动 弯结及其运动
0 位错概论 位错理论提出——理论强度和实际强度的差异
• 变形时，若晶体在滑移面两侧相对滑过，则在滑移面上所有的键都要破断 来产生永久的位移。据此，可估算滑移所需的临界分切应力。
• 1947年 Cottrell阐明溶质原子和位错的交互作用并用以解释低碳纲 的屈服现象，第一次成功地利用位错理论解决金属机械性能的具体问题。 同年，Shockley描绘了面心立方形成扩展位错的过程。 • 1950年 Frank和Read共同提出了位错的增殖机制。
材料科学基础位错理论
1.1 点缺陷
一、点缺陷的形式与分类
• 金属晶体中，点缺陷的存在形式有：空位、间隙原子，置换原子。 • 半金属Si、Ge中掺入三价和五价杂质元素，晶体中产生载流子，得
到P型（空穴）和N型（电子）半导体材料。 • 离子晶体中，单一点缺陷的出现，晶体将失去电平衡。为了保持电
中性，将以复合点缺陷形式出现，形成能较高。
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• 半共格界面：（界面能中等） 当相邻晶粒的晶面间距相差较大时，将由若干位
错来补偿其错配，出现共格区与非共格区相间界面。
AB
半共格界面中的 共格区A +非共格区B
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• 非共格界面： （界面能高） 当两相邻的晶粒的晶面间距相差很大时，界面上的
原子排列完全不吻合，出现高缺陷分布的界面。
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二、界面结构
螺位错柏氏矢量的确定：
b
右旋闭合回路
完整晶体中回路
•
螺位错
∥
b
右螺
左螺
b b
b b
b
b
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混合型位错的柏氏矢量
b
bs
be
be b sin bs b cos
返回
2、柏氏矢量的意义
• 意义在于：通过比较反映出位错周围点阵畸变的总积 累（包括强度和取向）。位错可定义为柏氏矢量不为 零的晶体缺陷。
┻
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4、实际晶体中的柏氏矢量
• 实际晶体中位错的 b，通常用晶向表示。
b
a
uvw
n
ra b n
u2 v2 w2
b表示错排的程度，称为位错的强度。一般晶体的滑移是
在原子最密集的平面和最密集的方向上进行，所以沿该方
向造成的位错柏氏矢量，等于最短的滑移矢量。（称为初 基矢量）。这种位错称为单位位错。—— 为b最近邻的原子
材料科学基础位错反应和扩展位错 ppt课件
4. 位错反应
位错反应能否进行取决于两个条件：
➢ ①几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。
b前b后
b2
注意：b的方向与规定的ξ的正向有关。所
以位错反应中，一般规定反应前位错 线指向节点，反应后离开节点。
b1
b3
➢ ②能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前诸位错的总 能量，这是热力学定律所要求的。
另外另外它还带着两片分别位于它还带着两片分别位于111111和和111111面上的层错以及两个不全位错面上的层错以及两个不全位错在两个在两个111111面的面面的面角上这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为态称为lomerlomercottrellcottrell位错另外另外它还带着两片分别位于它还带着两片分别位于111111和和面上面上的层错以及两个不全位错的层错以及两个不全位错在两个在两个111111面的面角上面的面角上这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态这种由于三个不全位错和两片层错构成的位错组态称为称为lomerlomercottrellcottrell位错11111111111122111111121122211011122110111211122211111121在外力作用下两个扩展位错向两个滑移面的交线处滑移
a 6112 a 31 1 1 a 211 0
③两个全位错合并成另一全位错。
a 2011 a 21 1 0 a 211 0
④两个位错合并重新组合成另两个位错，如体心立方中：
a 10 a 0 01 a 2 0 11 a 2 1 1 1
8
4. 位错反应
[100 ]
[100 ]
b 2a[100]
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1、不要轻言放弃，否则对不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
材料科学基础位错理论 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
材料科学基础位错理论
材料科学基础位错理论位错理论是材料科学领域中的重要概念之一、它是位错理论与晶体缺陷之间相互关联的核心。
本文将从位错的定义、分类和特征出发，进一步介绍位错理论的基本原理和应用。
首先，位错是固体晶体结构中的一种缺陷。
当晶体晶格中发生断裂、错位或移动时，就会形成位错。
位错可以被看作是晶体中原子排列的异常，它具有一定的形态、构型和特征。
根据位错发生的方向和类型，位错可分为直线位错、面位错和体位错。
直线位错是沿晶体其中一方向上的错排，常用符号表示为b。
直线位错一般由滑移面和滑移方向两个参数来表征。
滑移面是指位错的平移面，滑移方向是位错在晶体中的移动方向。
直线位错可以进一步分为边位错和螺位错。
边位错的滑移面为滑移方向的垂直面，螺位错则是在滑移面上存在沿位错线方向扭曲的位错。
面位错是晶体晶格上的一次干涉现象，即滑移面上的两部分之间发生错排。
面位错通常由面位错面和偏移量来描述。
面位错可以是平面GLIDE面位错、垂直GLIDE面位错或螺脚面位错。
体位错是沿体方向上的排列不规则导致的位错。
体位错通常是由滑移面间的晶体滑移产生的。
位错理论的基本原理是通过研究位错在晶体中的移动机制和相互作用，来理解材料的塑性变形和力学行为。
位错理论最早由奥斯勒(Oliver)于1905年提出，他认为材料的塑性变形是由于位错在晶体中游走和相互作用所引起的。
这一理论为后来的位错理论奠定了基础。
位错理论的应用非常广泛。
在材料加工和设计中，位错理论被广泛用于控制材料的力学性能和微观结构。
通过控制位错的生成、运动和相互作用，可以获得理想的材料性能。
同时，位错理论也被用于研究材料的磁性、电子输运和热传导性能等方面。
此外，位错理论也在材料的缺陷工程和腐蚀研究中发挥着重要作用。
通过控制位错的形态和分布，在材料中引入有利于抵抗腐蚀的位错类型，可以提高材料的抗腐蚀性能。
位错理论也可以用于解释材料的断裂行为和疲劳寿命等方面。
总结起来，位错理论是材料科学基础中的重要内容。
无机材料科学基础--4位错
2. 螺型位错
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变，在已滑移区与未 滑移区的交界处，两侧的上下两层原子发生了错排和不对齐现象， 这个过渡区内的上下二层的原子相互移动的距离小于一个原子间 距，因此它们都处于非平衡位置。这个过渡区就是螺型位错，也 是晶体已滑移区和未滑移区的分界线。之所以称其为螺型位错， 是因为如果把过渡区的原子依次连接起来可以形成“螺旋线”。 此种晶格缺陷被称为螺型位错。螺旋位错分为左旋和右旋。 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，符合左手法则的称左旋 螺旋位错。
混合位错
2. 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。攀移的实质是多余半原子 面的伸长或缩短。
(a)正攀移
刃型位错的攀移 (b)原始位置
(c)负攀移
攀移伴随物质迁移，需要较高能量； 作用于攀移面的正应力、过饱和空位等都有助于攀移。
攀移与滑移区别：
1）攀移伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激话， 比滑移需更大能量。 2）低温攀移较困难，高温时易攀移。在许多高温过程如蠕 变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。 3）攀移通常会引起体积的变化，故属非保守运动。 4）作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。 压应力将促进正攀移，拉应力可促进负攀移。 5）晶体中过饱和空位也有利于攀移。
2.位错的增殖 在晶体塑性变形过程中，有大量的位错滑移出 晶体表面而消失，晶体中位错数量按理将越来越少， 但是实验表明，塑性变形过程中位错的数量不仅没 有减少，反而大大增加了，这表明，位错在以某种 方式进行增殖，这个能增殖位错的地方就是位错源。 位错增殖模型： ①L型位错滑移增殖 ②F－R源增殖 ③双交滑移增殖模型 ④位错攀移增殖模型(正攀移 负攀移)
第一章：位错理论
第一章 位错理论（补充和扩展）刃位错应力场：22222)()3()1(2y x y x y Gb x ++--=νπσ22222)()()1(2y x y x y Gb y +--=νπσ)(y x z σσνσ+=22222)()()1(2y x y x x Gb yxxy +--==νπττ滑移面：xGb yx xy 1)1(2νπττ-==攀移面 y Gb x 1)1(2νπσ--=螺位错应力场：r Gb z z πττθθ2==单位长度位错线能量及张力221Gb T W ==单位长度位错线受力 滑移力：b f τ=攀移力： b f x σ=位错线的平衡曲率θθd 2d sin 2R f T =当θd 较小时2d 2d sin θθ≈，故τ2Gb f T R ==R Gb 2/＝τ两个重要公式：Frank －Read 源开动应力l Gb /＝τOrowan 应力λτ/Gb ＝位错与位错间的相互作用1. 不在同一滑移面上平行位错间的相互作用（1）平行刃型位错.)()()1(2222222y x y x x b Gb b f yx x +--'±='±=νπτ式中正号表示b 和b '同向；负号表示b 和b '反向。
沿y 轴的作用力y f 即攀移力.)()3()1(2222222y x y x y b Gb b f x y ++-'='=νπσ）－（b b ', 同号： 0>y f 正攀移 b b ', 反号： 0<y f 负攀移（2）平行螺位错r b Gb b f z r πτθ2'±='±=（3）平行混合型位错可以先将混合型位错分解成纯刃型和纯螺型的两个分量，分别计算刃-刃和螺-螺之间的作用力，最后叠加起来就得到总的作用力。
刃-螺之间无作用力2. 在同一滑移面上平行位错间的弹性相互作用位错的塞积群令第一个位错在0=x的地方，若此障碍只同领先的位错有交互作用，则每一位错所受的作用力j f 可写成01)1(2012＝b x x Gb f n i ji i ij j τνπ∑=≠=---=平衡时j f 应为零，可得n -1个联立代数方程（不包括第一个位错）∑=≠=-=ni ji i ij x x D 10,1τ )1(2νπ-=GbD当n 很大时，求解联立方程的近似解，得到各位错的平衡位置202)1(8-=i n D x i τπ塞积群总长度0028τατπnDD n x L n ≈≈=单位长度上的位错数 0d d i L x D xτπ= 利用)1/4(≈π◆ 塞积群施加在障碍上的切应力设在外切应力0τ作用下，整个塞积群向前移动x δ的距离，外应力作功为x b n δτ0，而障碍对领先位错的作用力作功为x b δτ。
材料科学基础I 7-9 实际晶体中的位错
二、密排六方晶体和体心立方晶体中的位错
晶体一样， 同FCC晶体一样，除存在全位错外，也有 晶体一样 除存在全位错外，也有Shockley分位错 分位错 分位错存在， ）、柏 和Frank分位错存在，但它们的结构（有关晶面和晶向）、柏 分位错存在 但它们的结构（有关晶面和晶向）、 氏矢量等各不相同。（ 。（略 氏矢量等各不相同。（略）
§7-9 实际晶体中的位错
前面介绍了位错的一般性质，本节将讨论实际晶体中的位错， 前面介绍了位错的一般性质，本节将讨论实际晶体中的位错， 特别是面心立方晶体中的位错。 特别是面心立方晶体中的位错。
一、面心立方晶体中的位错 1、全位错 、
定义：柏氏矢量为沿着滑移方向的原子间距的整数倍的位错。 定义：柏氏矢量为沿着滑移方向的原子间距的整数倍的位错。 若沿着滑移方向连接相邻原子的矢量为s， 若沿着滑移方向连接相邻原子的矢量为 ，则全位错的柏氏 矢量b=ns，为正整数，一般 矢量 ，为正整数，一般n=1，此时位错的能量最低。 ，此时位错的能量最低。 FCC晶体的全位错的柏氏矢量应为 晶体的全位错的柏氏矢量应为b=a/2<110>，简写成 晶体的全位错的柏氏矢量应为 ， b=1/2<110>。全位错的滑移面是 。全位错的滑移面是{111}，刃型位错的攀移面（垂 ，刃型位错的攀移面（ 直于滑移面和滑移方向的平面） 直于滑移面和滑移方向的平面）是{110}。 。
2、不全位错 、
柏氏矢量小于滑移方向上的原子间距的位错称为分位错； 柏氏矢量小于滑移方向上的原子间距的位错称为分位错； 分位错 不全位错。 大于原子间距，但不是整数倍的位错称为不全位错 大于原子间距，但不是整数倍的位错称为不全位错。实际研 究中没有必要将它们细分，可以统称为不全位错。 究中没有必要将它们细分，可以统称为不全位错。 (1) Shockley分位错 分位错 右图所示为FCC晶体的(111) 右图所示为FCC晶体的(111) 晶体的 晶面（纸面），注意ABC三层 ），注意 晶面（纸面），注意 三层 原子的位置， 原子的位置，b1为全位错柏氏 矢量。 层及以上原子由B位 矢量。当B层及以上原子由 位 层及以上原子由 置滑移到B位置时 位置时， 置滑移到 位置时，分两步进 行需要的能量更小： → ， 行需要的能量更小：B→C， C→B。 → 。