第六章空位与位错

第六章空位与位错一、名词解释空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源，奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化二、问答1fcc晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？2.在铝单晶体中（fcc结构），1）位错反应]101[2a]112[6a]+]121[6a能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表达式和式中各符号的含义；若反应前的]101[2a是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的]101[2a是螺位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？2）若（1，1，1）面上有一位错]110[2ab，与）（111面上的位错]011[2ab发生反应，如图6－1。写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。3）写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。4）如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB相遇时，两领先不全位错为1126a和]121[6a，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位错为何种类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。图6－13螺旋位错的能量公式为02ln4rRGbES。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm，r0约为10-8cm，铜的G＝4×106N/cm2，b＝2.5×10－8cm。（1）试估算Es（2）估算Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。4平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？5已知Al的空位形成能为0.76eV，问从27升温到627时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）6在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错，其位置如图6－2所示1，2，3，问它们在滑移面上受力方向如何？图6－27、位错对金属材料有何影响？第六章空位与位错一、名词解释空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下对应一定的空位浓度，通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。位错：晶体中的一种原子排列不规则的缺陷，它在某一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小。柏氏回路：确定柏氏族矢量的过程中围绕位错线作的一个闭合回路，回路的每一步均移动一个原子间距，使起点与终点重合。P-N力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力扩展位错：两个不全位错之间夹有层错的位错组态堆垛层错：密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。弗兰克-瑞德位错源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。Orowan机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。科垂尔气团：围绕刃型位错形成的溶质原子聚集物，通常阻碍位错运动，产生固溶强化效果。铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度升高。面角位错：在fcc晶体中形成于两个{111}面的夹角上，由三个不全位错和两个层错构123成的不能运动的位错组态。多边形化：连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动，形成规律的位错壁，成为小角度倾斜晶界，单晶体因而变成多边形的过程。二、问答1解答：层错能高，难于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度窄，易于发生束集，容易发生交滑移，冷变形中线性硬化阶段短，甚至被掩盖，而抛物线硬化阶段开始早，热变形中主要发生动态恢复软化；层错能低则反之，易于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度较宽，难于发生束集和交滑移，冷变形中线性硬化阶段明显，热变形中主要发生动态再结晶软化。2.解答：1）对于位错反应，需要同时满足能量条件和几何条件，反应才能进行。在]101[2a]112[6a]+]121[6a中，22222220112aab）（）（前，222222321126aab）（）（后，22后前bb，满足能量条件；同时]101[2]112112[6]101[2aabab））（）（（后前，满足几何条件，故反应能进行。扩展位错宽度221）（bbGd，G为切弹性模量，b1、b2为不全位错柏氏矢量，γ为层错能。若反应前的]101[2a是刃位错，则反应后的扩展位错只能在原滑移面上进行滑移；若反应前的]101[2a是螺型位错，反应后形成的扩展位错可以进行束集，与其相交面如）（111面相交处束集，而后过渡到）（111面上进行运动，并有可能再次分解为扩展位错。2）若（1，1，1）面上位错]110[2ab与）（111面上的位错]011[2ab相遇，它们之间能满足能量条件和几何条件，可以发生位错反应，反应式为：]110[2]011[2]110[2aaa。新位错位于（001）面上，是纯刃型位错，由于不在其滑移面{111}面上，为不可动位错。3）（111）与（111）两个滑移面上全位错分解为肖克莱不全位错的两个反应式为：（111）晶面上：]211[6]112[6]110[2aaa，）（111面上的位错]112[6]211[6]011[2aaa4）如果两扩展位错运动分解后的两个领先不全位错为1126a和]121[6a，两领先位错之间依据能量条件和几何条件要求，可以判断位错反应可以进行。新位错柏氏矢量为]110[6a；新形成位错为在（001）面上刃型位错，牵制到其它两个不全位错和两个层错均不能运动，会引起冷加工中的加工硬化。3解答：1）将各参数带入公式中可以计算得到Es＝0.73~0.92Gb2；2）Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量约为（1.725~2.3）×10－11J/cm2。4解答：平衡空位浓度）（kTEACVexp，A为材料常数，k＝1.38×10－23J/K，Ev为空位形成能。，即温度越高，空位浓度越大。高温淬火后由于高浓度空位被保留至低温，对低温加热扩散有促进作用。5解答：平衡空位浓度）（kTEACVexp，Al的空位形成能为0.76eV＝0.76×（1.602×10－19J），k＝1.38×10－23J/K，系数A=1。计算可得27（300K）时空位浓度C1＝1.7×10－13，627时空位浓度为C2＝5.54×10－5，故从27升温到627时空位浓度增加81210258.3CC倍。6解答：两平行同号刃型位错之间滑移面上的受力：2222212）（）（）（yxyxxbGbFx，G为切弹性模量，b，b为两刃型位错的柏氏矢量，ν为泊松比。故位置1位错受斥力，位置2位错处于亚稳平衡，偏离该位置则远离或运动到与原点处位错垂直的地方。位置3处第二个位错处于与原点处位错垂直的上方，处于稳定态。7、解答：位错是晶体中的缺陷，对材料有许多重要影响。1）对变形影响。通过位错运动完成塑性变形；2）对性能影响，与第二相粒子，通过切过或绕过机制强化材料，冷加工中位错密度增加也能强化材料，或通过形成科垂尔气团强化材料，以及位错运动中相互交截，或形成割阶、面角位错等使材料强化；3）对再结晶中的晶核形成机制有影响；是优先扩散通道。