位错理论

合集下载

关于位错的理论与思考

关于位错的理论与思考

关于位错的理论与思考任新凯1,什么是位错位错是晶体中最为常见的缺陷之一,它对晶体材料的各种性质都有程度不同的影响,很早就被人们关注和研究,有了比较成熟的理论和大量的实验研究成果。

晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用,或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用,使晶体内部质点排列变形,原子行间相互滑移,而不再符合理想晶体的有秩序的排列,由此形成的缺陷称位错。

位错是原子的一种特殊组态,是一种具有特殊结构的晶格缺陷,因为它在一个方向上尺寸较长,所以被称为线状缺陷。

位错的假说是在30年代为了解释金属的塑性变形而提出来的,50年代得到证实。

位错的存在对晶体的生长、相变、扩散、形变、断裂、以及其他许多物理化学性质都有重要影响,了解位错的结构及性质,对研究和了解金属尤为重要,对了解陶瓷等多晶体中晶界的性质和烧结机理,也是不可缺少的。

最初为解释的塑性变形而提出的一种排列缺陷模型.晶体滑移时,已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界,称为"位错",又可称为差排。

它是一种"线缺陷".基本型式有两种:滑移方向与位错线垂直的称为"刃型位错";滑移方向与位错线平行的称为"螺型位错".位错的存在已经为等观察所证实.实际晶体在生长,变形等过程中都会产生位错.它对晶体的塑性变形,相变,扩散,强度等都有很大影响.刃型位错设有一简单立方结构的晶体,在切应力的作用下发生局部滑移,发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面,显然在晶格内产生了缺陷,这就是位错,这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面,所以称为刃型位错。

位错线的上部邻近范围受到压应力,而下部邻近范围受到拉应力,离位错线较远处原子排列正常。

通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错,用符号“┴”表示,反之为负刃型位错,用“┬”表示。

当然这种规定都是相对的。

螺型位错又称螺旋位错。

一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移,原子平面沿着一根轴线盘旋上升,每绕轴线一周,原子面上升一个晶面间距。

金属塑性变形物理基础位错理论

金属塑性变形物理基础位错理论
此时,位错应变能一般指E0。它可通过 在晶体内“制得”一个位错所作的功求 得。
E螺=
Gb2
4
ln
R r0
E刃=
Gb2 ln R
4 (1 ) r0
则 E刃=
1
1
E螺,一般取0.3,
2
所以 E 螺= 3 混合位错
E混=
Gb 2
4 (1 )
E刃 (1-cos2)ln
R r0
• 汇集一点的位错线,它们的柏氏矢量和 为零;
• 一根位错线不能终止在晶体内部,只能 终止在晶体表面。
位错环 b
1.2.3 位错密度——描述位错多少的参数 (1) 定义:单位体积中位错的总长度。
V = L cm/cm3
(2) 位错的形成——液态结晶时形成。晶体 经过塑性变形回复和再结晶及其它热处 理,位错的密度变化。
体的一边贯通到另一边,而是有时终止 在晶体的中部。
1934年,提出了位错的概念,
1947年低碳钢的屈服效应,位错理论得到 了很大发展,
1950年以后,用电镜直接观察到位错。至 此,位错的存在才最终得到间接证明。 从此以后,位错理论得以迅速发展。它 是一门很重要的基本理论。
1.2 位错模型和柏氏矢量 1.2.1 位错的分类:
如1-2图所示,若位错线上的原子沿切 应力方向移动不到一个原子间距,周围其 它原子稍作调整,多余半原子面和位错线 就可以向前移动一个原子间距。可见位 错移动具有易动性。
• 图1-2示出了位错由晶体的一端扫到另一端
(2)螺位错的滑移运动 如图所示位错线上的原子只需在切应
力作用下向前移动一个原子间距的分数倍 的距离,位错线可以向左移动一个原子间 距。
设m= b
化简得

《位错理论基础》课件

《位错理论基础》课件

1.11 实际晶体中的位错 堆垛层错
(1)形成 密排堆垛次序有误
形成
层错
面缺陷
fcc晶体的层错类型:
抽出型:
插入型:
(2)类型
肖克莱(Shock12 扩展位错
位错反应 位错反应:分解或合成
条件:
1)几何条件:反应前各位错柏氏矢量之和应等于反 应后各位错柏氏矢量之和。
1.6 位错在应力场中的受力
外力使晶体变形做的功=位错在F力作用下移动 ds距离所作的功。
1.7 位错间的相互作用
(1)写出位错间作用力的表达式(不要求计算) (2)分析位错的受力
同符号刃型位错:
/2 稳定平衡位置; /4不稳定平衡位置。
1.9 位错的交割
割阶与扭折
割阶的形成增加了位错线长度,要消耗一定的能量。 因此交割对位错运动是一种阻碍。增加变形困难, 产生应变硬化。
即: Σb前=Σb后
2)能量条件:反应过程是能量降低的过程。 E∝b2 Σb2前≥Σb2后
扩展位错:一个位错分解成两个半位错和它们中间夹的层错带 构成的位错。
面心立方晶体的滑移
如: 1 a1 10 1 a1 2 1 1 a211
2
6
6
1 a1 10
2
1 a1 2 1
6
1 a211
6
2)τp随a值的增大和b值的减小而下降。在晶体中,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随位错宽度减小而增大。 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。
1.5 位错的运动及晶体的塑性变形

位错理论(3)

位错理论(3)

5.位错密度
位错密度是指单位体积内位错线的总长度。 其表达式为 LV L / V
式中:LV是体位错密度; L是位错线的总长度; V是晶体的体积。
经常用穿过单位面积的位错数目来表示位错密度。
A n / A
式中:是穿过截面的位错数;是截面面积。 位错密度的单位是cm-2。
5.3.2 位错的运动
位错线
正刃型位错
负刃型位错
透射电镜下观察到的位错线
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,AB线两侧的上下 两层原子发生了错排和不对齐现象,它们围绕着AB线连 成了一个螺旋线,而被AB线所贯穿的一组原来是平行的 晶面则变成了一个以AB线为轴的螺旋面。 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。
刃型位错和螺型位错的特征。
柏氏矢量的确定。 理解滑移的过程及刃型位错和螺型位错滑移的 特点。 单位长度位错的应变能表示 U=αGb2。
(1)螺型位错的应力场
采用圆柱坐标系。在离开中心r处的切应变为 b Z Z 2r 其相应切应力
Z Z G Z
Gb 2r
式中,G为切变模量。由于圆柱只在Z方向有位移,X,Y方 向无位移,所以其余应力分量为零。 螺型位错应力场是径向对称的,即同一半径上的切 应力相等。且不存在正应力分量。
Gb 2 R WS ln 4 r0
对于刃型位错,单位长度的弹性应变能为
Gb 2 R WE ln 4 (1 ) r0

材料科学基础位错理论

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。

位错

位错

3.2.1 位错类型及特征
问题1:实际晶体的强度比 理论强度低3~4数量级? 问题2:金属材料为何出现 屈服和加工硬化现象? 问题3:为何钢热轧时一般 选择在奥氏体相区? 问题4:为何出现铝塑性变 形后形貌?
经7%形变的铝的 形变的铝的 表面图象
位错的基本概念
理论切变强度的估算
Gb G τ≈ ≈ 2πa 2π
位错理论发展简史
• 早期模型建立(1930年前) 早期模型建立( 年前) 年前 • 1939年Burgers提出描述位错的一个重要 年 提出描述位错的一个重要 特征量-柏氏矢量 同时引入了螺位错。 柏氏矢量, 特征量 柏氏矢量,同时引入了螺位错。 • 位错理论的丰富及应用。(四、五十年代) 位错理论的丰富及应用。( 。(四 五十年代) • 位错的电镜观测及证实。( 位错的电镜观测及证实。( 。(1956年) 年 • 计算机的模拟。(近代) 计算机的模拟。(近代) 。(近代
3.2.3 位错的弹性性质
位错在晶体中的存在,使其周围原子偏离平 衡位置而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。 1.位错的应力场 采用弹性连续介质模型来进行计算: (1)该模型首先假设晶体是完全弹性体,服从虎 (1) 克定律; (2)其次,把晶体看成是各向同性的; (3)第三,近似地认为晶体内部由连续介质组成, 晶体中没有空隙,因此晶体中的应力、应变、 位移等量是连续的,可用连续函数表示。
柏氏矢量表示法: 柏氏矢量表示法
立方晶系中 立方晶系中 b=(a/n)[uvw] ,其大小成为位 错强度, 错强度,用模表示 ,模的大小表示该晶向上 原子间的距离。 原子间的距离。 六方晶系中: 六方晶系中: b=(a/n)[uvtw] 晶体中,柏氏矢量愈大, 晶体中,柏氏矢量愈大,表明该位错导致点阵 畸变愈严重,它所在处的能量也愈高。 畸变愈严重,它所在处的能量也愈高。能量 较高的位错通常倾向于分解为两个或多个能 量较低的位错:b1→b2+b3,以使系统的自 量较低的位错: + , 由能下降。 由能下降。

位错反应与层错理论课件

位错反应与层错理论课件

位错类型
01
02
03
刃型位错
位错线与滑移面重合,滑 移面上方的一个原子平面 突然中断,形成一个额外 的半原子面。
螺型位错
位错线与滑移面不重合, 位错线周围的原子发生旋 转,形成一个螺旋状的原 子面。
混合型位错
同时具有刃型和螺型特征 的位错。
位错在晶体中的表现
01
02
03
04
位错对晶体的力学性质产生影 响,如硬度、韧性、强度等。
形成层错。
热激活
在高温条件下,原子获得足够的能 量,可以克服周围的势垒,实现晶 体的滑移和层错的产生。
应力集中
当晶体受到外力作用时,应力集中 区域容易出现层错,因为应力集中 区域容易产生滑移不协调的现象。
层错对材料性能的影响
机械性能
层错的存在会降低材料的强度和韧性,因为层错本身是一种晶体 缺陷,容易引发应力集中和裂纹扩展。
在工程领域的应用
结构材料
在建筑、航空航天、船舶等工程领域,位错反应与层错理论 的应用有助于优化结构材料的性能,提高结构的安全性和可 靠性。
机械部件
在机械部件的设计和制造过程中,位错反应与层错理论的应 用有助于预测和防止机械部件的疲劳、断裂等问题,延长机 械部件的使用寿命。
THANKS
感谢观看
陶瓷材料
在陶瓷材料的制备和优化过程中,位 错反应与层错理论有助于揭示陶瓷材 料的脆性和断裂行为,为陶瓷材料的 增韧和强韧化提供理论支持。
在物理学中的应用
晶体结构
位错反应与层错理论在晶体结构 的研究中发挥了重要作用,有助 于理解晶体结构的形成、稳定性 和相变等物理现象。
相变与热力学
位错反应与层错理论在相变和热 力学的研究中提供了微观机制的 解释,有助于理解物质在不同温 度和压力下的性质变化。

位错理论——精选推荐

位错理论——精选推荐

位错理论《位错与位错强化机制》杨德庄编著哈尔滨⼯业⼤学出版社1991年8⽉第⼀版1-2 位错的⼏何性质与运动特性⼀、刃型位错2.运动特性滑移⾯:由位错线与柏⽒⽮量构成的平⾯叫做滑移⾯。

刃型位错运动时,有固定的滑移⾯,只能平⾯滑移,不能能交叉滑移(交滑移)。

刃型位错有较⼤的滑移可动性。

这是由于刃型位错使点阵畸变有⾯对称性所致。

⼆、螺型位错1. ⼏何性质螺型位错的滑移⾯可以改变,有不唯⼀性。

螺型位错能够在通过位错线的任意平⾯上滑移,表现出易于交滑移的特性。

同刃型位错相⽐,螺型位错的易动性较⼩。

、位于螺型位错中⼼区的原⼦都排列在⼀个螺旋线上,⽽不是⼀个原⼦列,使点阵畸变具有轴对称性。

2.混合位错曲线混合位错的结构具有不均⼀性。

混合位错的运动特性取决于两种位错分量的共同作⽤结果。

⼀般⽽⾔,混合位错的可动性介于刃型位错和螺型位错之间。

随着刃型位错分量增加,使混合位错的可动性提⾼。

混合位错的滑移⾯应由刃型位错分量所决定,具有固定滑移⾯。

四、位错环⼀条位错的两端不能终⽌于晶体内部,只能终⽌于晶界、相界或晶体的⾃由表⾯,所以位于晶体内部的位错必然趋向于以位错环的形式存在。

⼀般位错环有以下两种主要形式:1. 混合型位错环在外⼒作⽤下,由混合型位错环扩展使晶体变形的效果与⼀对刃型位错运动所造成的效果相同。

2. 棱柱型位错环填充型的棱柱位错环空位型棱柱位错环棱柱位错环只能以柏⽒⽮量为轴的棱柱⾯上滑移,⽽不易在其所在的平⾯上向四周扩展。

因为后者涉及到原⼦的扩散,因⽽在⼀般条件下(如温度较低时)很难实现。

1-3 位错的弹性性质位错是晶体中的⼀种内应⼒源。

——这种内应⼒分布就构成了位错的应⼒场。

——位错的弹性理论的基本问题是对位错周围的弹性应⼒场的计算,进⽽还可以推算位错所具有的能量,位错的线张⼒,位错间的作⽤⼒,以及位错与其他晶体缺陷之间的相互作⽤等⼀些特性。

——⼀般采⽤位错的连续介质模型(不能应⽤于位错中⼼区),把晶体作为各向同性的弹性体来处理,直接采⽤胡克定律和连续函数进⾏理论计算。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

Dislocations in Nickel (TEM )
Dislocation Tangles
位错缠结
A crack in Si (Dark line) emits a number of dislocations on thermal cycling. The dislocations were formed to relieve thermal stresses.
Mixed Dislocation 混合位错
柏氏矢量的确定 (1)包含位错线做一封闭回路-柏氏回 (2) 将同样的回路置于完整晶体中-不能 闭合 (3) 补一矢量(终点指向起点)使回路闭 合-柏氏矢量
BURGER’S VECTOR 柏氏矢量 Edge dislocation Screw dislocation
1.3 位错的原子模型及柏氏矢量
Edge Dislocation 刃型位错
Contains an additional plane of atoms which extends indefinitely along the crystal
多余原子面
From A. G. Guy, Elements of Physical Metallurgy, Addison-Wesley Publishing Co., Inc., Reading, Mass., 1959.
Q ND = D÷ ÷ exp kT N
Self Diffusion Via Vacancy Mechanism
点缺陷对晶体性能的影响
间隙原子-体积膨胀1~2个原子体积 空位-体积膨胀0.5个原子体积 屈服强度↑ 对扩散、高温形变和热处理等过程均有重 要影响
面缺陷 plane defect
Juan Villegas, Ph.D. thesis (UConn MSE)
线缺陷 line defect
刃型位错 Edge dislocation 螺型位错 Screw dislocation 混合位错 Mixed dislocation
1.2 位错概念的引入
1934
解释实测的晶体临界切应力值与理论计 算值相差千倍以上的问题
Variation in Grain Boundary Energy With Misorientation for Copper. 晶界能~角度
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30
Degrees
E ne rgy (J/m2)
40
50
60
相界面
两个不同相之间的界面 - 共格界面 -半共格界面 -非共格界面 弹性能 与 界面能?
Burger’s vector
Burger’s vector
Dislocation line
Dislocation line: into page
Edge dislocation: Burger’s vector perpendicular to dislocation line Screw dislocation: Burger’s vector parallel to dislocation line Mixed dislocation: Orientation of Burger’s vector with respect to dislocation changes with position
Screw Dislocation 螺型位错
Mixed Dislocation 混合位错
Screw Dislocation
Edge Dislocation
Has both edge and screw character.
From J.F. Shackelford, Introduction to Material Science for Engineers, MacMillan Publishing Co, New York, NY, 1985
特性
(1) 满足右螺旋规则时,柏氏矢量与柏氏回路路 径无关 - 唯一性 (2) 用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的 所有位错柏氏矢量的总和(矢量和) -可加性 (3) 同一位错,柏氏矢量处处相同- 同一性
位错密度
单位体积中位错的总长度:
L ρ = , cm / cm 3 V
将位错线看作于垂直某一平面的直位错线
No. of potential Temperature defect sites. Boltzmann's constant (1.38 x 10-23 J/atom K) (8.62 x 10-5 eV/atom K) Each lattice site is a potential vacancy site
晶界特点
1) 晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化— 晶粒长大、晶界变直—晶界面积减小; 2) 阻碍位错运动— σb↑ —细晶强化; 3) 位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高; 4) 晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变 的条件——固态相变首先发生地; 5) 化学稳定性差—晶界容易受腐蚀; 6) 微量元素、杂质富集
Edge Dislocation 刃型位错
Screw Dislocation 螺型位错
Spiral Stacking of crystal planes. The direction of motion is perpendicular to the shearing stress.
From J.F. Shackelford, Introduction to Material Science for Engineers, MacMillan Publishing Co, New York, NY, 1985
小角度晶界 low angle grain boundary 大角度晶界 high angle grain boundary 相界面 interphase boundary
小角度晶界特点
*θ<10° 由位错构成 *位错密度↑— 位向差↑—晶格畸变↑—晶界 能↑
大角度晶界
θ>10°
小角度晶界 类型
Point Defects 点缺陷
Substitutional atom 替换原子
Vacancy 空位
Selfinterstitial atom
Interstitial atom 间隙原子
空位平衡浓度
Equilibrium concentration varies with temperature! How? No. of defects Formation energy
Point Defects in a Single Crystal Lattice
Extra atom
Missing atom
Foreign atom
Extra atom
Schematic illustration of types of defects in a single-crystal lattice: self-interstitial, vacancy, interstitial, and substitutional.
理想晶体的临界切应力
G τm = 2π
实际晶体的逐步滑移
- Effect of dislocations in the lattice structure under stress In the series of diagrams, the movement of the dislocation allows deformation to occur under a lower stress than in a perfect lattice
nL n ρ=Etching to Reveal Dislocation Motion
Movement of dislocations in LiF. “A” are sessile dislocations & “B” are glissile dislocations. When a stress is applied the glissile dislocation slides, hence, when it is etched again it leaves a new trace where as the old trace gets wider, but not deeper. Sessile dislocations do not move and the etch pits get deeper and wider on repeated etching.
晶界处新晶粒
晶界与亚晶界
新晶粒与位错
Laminar structure 片层状组织
High resolution TEM 高分辨电子显微镜 成百上千个原子 成百上千个原子单个原子排列
ELECTRON MICROSCOPY
[110] [001] advancing twin
Nickel alloy
(1)对称倾侧晶界相邻晶粒各转θ/2同号刃 位错垂直排列 (2)不对称倾侧晶界相互垂直的两组刃位错 垂直排列
Low Angle Grain Boundary -小角晶界
GRAIN BOUNDARIES
Schematic
晶界
grain boundaries
Adapted from Fig. 4.7, Callister 6e.
1.位错理论基础
1.1 晶体缺陷概论
晶体中的缺陷 缺陷: 缺陷 原子排列偏离完整性的区域 点缺陷-在三个方向上尺寸都很小 线缺陷-在二个方向上尺寸很小 面缺陷-在一个方向上尺寸很小
点缺陷 point defects
空位 vacancy 间隙原子 interstitial atom 杂质原子 impurity atom
相关文档
最新文档