位错的运动在线视频

同学们

本小节我们学习

位错的运动以及几何特性

位错最重要的性质之一

是它可以在晶体中运动

晶体的宏观滑移

实际上就是通过位错的滑移实现的

刃型位错的运动有两种方式

一种是位错线沿着位错面的移动

称为位错的滑移

另一种是位错线垂直于滑移面的移动

称为位错的攀移

对螺型位错而言

它只作滑移而不存在攀移

对于混合位错而言

它既可以滑移也可以攀移

首先我们来看刃型位错的滑移

如图a所示

为含有一个正刃型位错的晶体点阵

图中实线PQ表示位错原来的位置

虚线P'Q'表示

位错移动一个原子间距后的位置

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

因此这样的位错运动

只需施加一个很小的切应力就可以实现

图b所示为一个负刃型位错

在同样的切应力作用下

尽管其移动方向与正刃型位错相反

表现在图中为向右移动

但当它们分别从晶体的一端移到另一端时

所造成的晶体滑移是完全相同的

当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体

就会在晶体表面产生一个宽度为柏氏矢量b的台阶

即造成了晶体的塑性变形

若有n个柏氏矢量相同的位错扫过滑移面

则晶体将产生n个柏氏矢量的宏观滑移量

表面上产生n个柏氏矢量高的台阶

成为电子显微镜下可以观察到的滑移线

如图所示 图a为原始状态的晶体

以及所加切应力的方向

图abc则为正刃型位错滑移的中间阶段

可以看出位错线A B

沿滑移面逐渐向后移动

在滑移时刃型位错的移动方向

一定是与位错线相垂直

也就是说在刃型位错当中

位错滑移的方向与柏氏矢量是一致的

正因如此刃型位错的滑移面

是唯一且确定的

是由位错线与其柏氏矢量

所构成的平面

当位错线沿着滑移面移动时

它所扫过的区域是已滑移区

而位错线未扫过的区域为未滑移区

随着位错的移动

已滑移区逐渐扩大

未滑移区逐渐缩小

此两个区域由位错线划分开来

直至如图d所示滑移完全完成

这就是把位错定义为晶体已滑移区

和未滑移区分界的原因

我们再来看螺型位错的滑移运动

如图a所示

图中较大的圆形代表滑移面下层的原子

较小的圆形代表滑移面上方的原子

虚线表示点阵的原始状态

而实线表示位错滑移一个原子间距后的状态

从图中可以看出

在切应力τ的作用下

只要位错周围的原子做微小的移动

这种位移随螺型位错向左移动

而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列

如图b所示

位错线向左已经移动一个原子间距

从图a中第6原子列移到图b的第7列

因此晶体因滑移而产生的台阶

也扩大了一个原子间距

与刃型位错的情况有所不同

在切应力作用下

螺型位错的移动方向

是与其柏氏矢量相垂直

也就是说与切应力及晶体滑移的方向相垂直

此外对于螺型位错

由于位错线与柏氏矢量平行

所以它不像刃型位错那样

具有确定的滑移面

而是可以通过位错线在任何原子面上滑移

如果螺型位错在某一滑移面滑移后

转移到另一通过位错线的

临近滑移面上继续滑移

这种现象称为交滑移

只有螺型位错能够产生交滑移

刃型位错不会发生交滑移

根据刃型位错和螺型位错的运动特点可知

不论是刃型位错还是螺型位错

在切应力作用下

它们都是沿自身的法线方向滑移

滑移至晶体表面消失后

晶体的滑移量都等于它们的柏氏矢量

因此螺型位错滑移的结果

与刃型位错是完全一样的

当n个柏氏矢量相同的

螺型位错滑出晶体时

也会在晶体表面

形成n个柏氏矢量的宏观滑移量

在材料表面上也会产生

高度为n个柏氏矢量高的滑移台阶

我们再来看混合型位错的滑移

由于混合位错可以分解为

刃型和螺型位错两部分

因此混合位错在切应力作用下

也是沿其各线段的法线方向滑移

并同样可使晶体产生

与其柏氏矢量相等的滑移量

如图所示

若晶体内存在一个位错环ABCD

当晶体受到切应力τ的剪切作用时

负刃型位错线的运动方向

与正刃型位错运动方向相反

若刃型位错A向后移动的话

刃型位错B就向前移动

而右旋螺型位错C向左移动的话

左旋螺型位错就向右移动

从而使得位错线上各点分别向外扩展

一直到达晶体边界

虽然各位错线的移动方向不相同

但它们所造成的晶体滑移

却是由位错线ABCD的柏氏矢量所决定的

因此位错环扩展的最终结果

是使晶体沿滑移面产生了

与柏氏矢量b相同的塑性变形量

上面我们介绍的就是刃型位错

螺型位错以及混合型位错运动方式

接下来我们学习一种

与滑移运动不同的

位错运动方式

也就是位错的攀移

对于刃型位错

除了可以在滑移面上滑移外

还可垂直于滑移面发生攀移

所谓攀移是多余的半排原子面

向上或向下运动

而我们之前学的滑移

是半原子面的水平切向运动

如图所示为刃型位错攀移过程的示意图

当半原子面下端的原子跳离原始位置

其效果等同于

空位迁移到半原子面最下端

此时半原子面将缩短

表现为位错向上移动

这种移动叫做正攀移

反之

如有原子迁移到半原子面下端

则半原子面将伸长

表现为位错向下移动

这种移动叫做负攀移

位错攀移时通常伴随着物质的迁移

需要扩散才能实现

所以相比于滑移运动来说

攀移运动过程所需的能量更大

由于攀移过程伴随着物质迁移

通常将称攀移为非守恒运动

而滑移则称为守恒运动

位错的攀移运动

在室温下很难进行

只有施加较大的外力

或升高温度才能激活攀移运动

当外加应力为垂直于

半排原子面的拉应力时

有助于原子扩散到位错处

使半原子面扩大

发生负攀移

反之 当外加应力为压应力时

有助于空位迁移到位错线附近

而使位错发生正攀移

下面我们来学习

位错运动的ξ叉乘v原则

其中ξ代表位错线的方向

v代表位错线滑移的方向

叉乘运算结果仍然是一个向量

叉乘后 向量的方向可以用右手法则确定

也就是我们将右手拇指 食指 中指

展开并相互垂直

食指指向叉乘的第一个向量

中指指向叉乘第二个向量

则拇指代表了叉乘后向量的方向

ξ叉乘v规则的涵义如下

当柏氏矢量为b的位错线

ξ沿v方向运动时

以位错运动面为分界面

ξ叉乘v所指向的那部分晶体

必定沿着柏氏矢量的方向运动

ξ叉乘v规则对刃型位错

螺型位错以及混合型位错的滑移

或攀移运动都适用

我们利用叉乘运算

再来看另一个规则

如果位错线方向为ξ

而柏氏矢量为b

那么 位错滑移面方向为ξ叉乘b

对于刃型位错而言

位错线垂直于柏氏矢量

也就是ξ垂直于b

因此 ξ叉乘b的方向是唯一确定的

对于螺型位错而言

位错线ξ平行于柏氏矢量b

数学中我们应该知道

互相平行向量叉乘的结果为0

因此螺型位错的滑移面不唯一

这个特点我们之前也曾讲解过

下面我们对位错的运动

及几何特性进行归纳

总结出9条结论

便于同学们总结和学习

第一条 位错是晶体中的线缺陷

它实际上是一条细长的管状缺陷区

区内的原子严重发生错排

第二点 位错可以看成是局部滑移

或局部滑移区的边界

第三点 柏氏矢量b与位错线ξ之间的关系

确定了三类位错

分别为刃型 螺型和混合型位错

柏氏矢量的大小决定了位错中心区

原子错配的严重程度

第四 位错线必须是连续的

它或者起止于晶体表面

或形成封闭回路

或者在结点处和其它位错相连成位错网格

第五点 柏氏矢量的最重要性质是守恒性

即指向某一结点的位错线的柏氏矢量之和

等于指出该结点的位错线的柏氏矢量之和

同时 一条位错线只能有一个柏氏矢量

第六点 刃型位错能够滑移 攀移

而螺型位错只能滑移运动

而不能攀移运动

但螺旋位错可以发生交滑移

第七 位错面是由柏氏矢量b

和位错线ξ决定的平面

即ξ叉乘b规则

刃型位错滑移面是惟一的

螺型位错滑移面不唯一

第八点 不论何种位错

也不论是滑移 攀移

亦或是滑移攀移同时发生

位错线的运动方向v

始终垂直于位错线ξ方向

第九点 外加应力方向

位错线运动方向以及柏氏矢量方向

还有晶体的塑性变形方向一定是相同的

上述就是本节课的内容