材料化学(8)

8.位错和面缺陷缺陷化学（第4章）和固溶体和非化学计量化合物（第5章）涉及的缺陷都是点缺陷的内容。点缺陷实际上是在晶体中的格位上或晶格的间隙位置产生的缺陷。按几何形状可分为：（1）点缺陷（热缺陷）；（2）线缺陷（位错）：不是化学计量缺陷；（3）面缺陷.位错又包括刃位错（edge）和螺位错（Screw）。本章重点讨论刃位错和螺位错、柏格斯矢量、位错的应变能、位错的运动和增殖。位错之间以及其与空位的相互作用等问题。位错理论解释了金属材料实际强度大大地低于理论强度的原因.位错对无机非金属的生长及其性能，材料的烧结和固相反应等，都有着巨大的影响。面缺陷包括堆垛层错、结晶切变面、孪晶界面、电磁畴界面、亚晶界、小角度晶界和大角度晶界等。8.1.1晶体的滑移现象当金属晶体受外力发生塑性形变时，一般是通过滑移过程进行的。即晶体相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向做相对滑动，在此过程中，发生滑动的面其两侧的晶体保持着原来的结构。滑移的结果在晶体表面上形成了许多台阶，显微镜下可见到许多平行的线条，称为滑移带，如图8-1所示。8.1位错模型的提出图8.1滑移系统示意图图8.1滑移系统示意图滑移线：宽度约102个原子间距；滑移滑移带：许多更细小的滑移线平行组成，约103个原子间距；滑移面：发生滑移的晶面（沿原子排列较紧密的晶面或晶向），约104个原子间距。只有沿着某个滑移面并且该面上某个滑移方向上的切应力分量达到一定临界值时，滑移才开始发生。滑移带现象表明，塑性变形在晶体中的分布是不均匀的，它们实际上只由部分晶面的滑移来承担，即使在同一滑移面上，滑移也是逐步进行的，即先从局部开始，不是在整个滑移面上同时发生的。一个滑移面和在这个平面上的一个滑移方向组成了一个滑移系统。如Cu、Ag、Au晶体有延展性好的原因，除它们具有金属键的本性外，还与它们具有面心立方结构有较多的滑移系统有关。离子晶体中情况较复杂，同号离子相遇时会产生极大斥力，因此，滑移方向具有选择性，滑移系统也要比其相应结构的金属晶体少得多。此即大多数无机非金属材料不易发生塑性变形呈高脆性的原因之一。利用滑移来解释材料的塑性变形在一定程度上反映了实际情况，但在进行定量解释时遇到了严重困难。按原子面与原子面之间刚性错开的模型，可计算出晶体发生滑移所需要的临界分切应力τm，且τm=G/2πG为晶体的切变模量；τm又称为理论切变强度，简称理论强度。金属的实际切变强度比理论值低得多。研究表明：8.1.2晶体的理论强度与实际强度①晶体的滑移并非是刚性的，滑移过程也不是原子之间整体同步发生相对位移，而是一部分先发生位移，然后另一部分再发生位移，如此循序渐进。在滑移面上已滑移和未滑移部分的分界线，就是所谓的位错，因此，晶体的滑移实际上是位错运动的结果；②由于位错附近有严重的原子错排及由此引起的应力场，所以在位错附近的原子平均能比在理想晶格位置上要高，比较容易运动，故所需的实际临界切应力比理论值低得多。West曾举过一个掀地毯的例子来形象地说明位错的存在可使滑移变得容易。设想一条长地毯，一个人要独自拖动它是很困难的，但如果把地毯靠近人的一端弄出一个折皱，然后掀开地毯的这端并抖动地毯，重复这个动作，使折皱从一端滑移到另一端（一种波伏运动）。这样便可能省力地把地毯拖动一段距离。8.2位错的类型8.2.1刃位错图8.2切应力造成刃位错的示意图(a)中，晶体上半部分左方，相对于下半部分局部向右滑移，ABEF是滑移面.EFGH的左边部分已滑移了一个原子间距(6-2(b))，而它的右边部分尚未动,着必将造成在EFGH处多挤进了一个半原子面(6-2(b)中的HE)。在滑移面ABEF上，已经滑移和尚未滑移部分的分界线(EF)就是位错线。它的中心是一条垂直于晶面的直线，处于多余的半原子面的边缘处，形状象刀刃，所以这类分界线被称为刃位错。多余的半原子面在滑移面上部的，称为正刃位错，用表示；半原子面在滑移面下部的，称为负刃位错，用表示。不管是正或负刃位错，位错必然垂直于滑移方向，这是刃位错区别于螺位错的重要标志刃位错是一种线缺陷。刃位错除了上述的切应力作用于局部滑移外，还可通过填隙原子或空位的扩散等其他途径，也能形成多余半原子平面。8.2.2螺位错设想把晶体沿着一端任一处切开，并对相应的平面ABCD两边施加应力，使两个切开面沿垂直晶面的方向相对滑移（1个）晶格间距，然后粘合起来，得到如图8-3的情况。显然，平面ABCD或ABCD是滑移面，滑移区边界AD称为螺位错。特点：位错和滑移方向平行。螺位错用图8-3中AD线上方的符号表示。该符号中心为园点，表示位错的投影；园点外为一个带箭头的半圆圈，箭头指向所谓的柏格斯回路的方向，其意义将在8.3节里详细讨论。（螺位错的另一种的另一种表达法（8.3.1小节的图8.6））。完整晶体，带有刃位错和螺位错的晶体的区别，可用密排平面图（图8-4）来形象地表示。对螺位错来说，位错附近因原子错排产生了应力场，螺位错也是包含了几个原子宽度的线缺陷。显然，它也不是几何意义上的线，而是有一定直径的管道。在上述两个方面，螺位错和刃位错是相同的。8.4密排平面示意图(a)完整晶体；(b)含刃位错晶体；©含螺位错晶体按位错的几何关系来分，应有一种混合型位错，这种位错的形状一般是弯曲的，与滑移方向既不平行也不垂直，其原子排列方式介乎于刃位错和螺位错之间，它们可以分解成刃位错和螺位错两个分量。8.2.3混合型位错位错的两个特征：①方向用单位矢量表示；②存在着与位错有关的晶体一侧质点的位移。这两点可用柏格斯矢量b来描述。柏格斯矢量b是用所谓的柏格斯回路来确定。是由弗兰克于1951年首次提出，实际应用中一般采用Read方案。（1）刃位错柏格斯回路完整晶体：图8-5（a），从A点开始，沿矢量移动，最后回到A点。回路闭合，始终点重合。刃位错晶体：图8-5（b），从A点开始，依照完整晶体中的回路的顺序，不能回到A，而是到达B点，回路不闭合，始终点不重合。8.3柏格斯（Burgers）矢量和位错的守恒及定义8.3.1柏格斯矢量图8.5确定刃位错柏氏回路和柏氏矢量的里德方案（a）完整晶体；（b）含刃位错的实际晶格从B→A的矢量，b就是刃位错的柏格斯矢量。方向从终点到始点，其大小等于晶格间距或其倍数，与柏格斯回路的大小无关。位错也可以定义为柏格斯矢量不为零的线缺陷。图8-6，从S点开始，和刃位错作同样的柏格斯回路，终点与始点也不闭合。所以螺位错的柏格斯回路也是围绕着位错，沿着晶格完整的区域所作的（逆时针）闭合曲线。不同文献采用的柏格斯回路转向是不一致的，由此会造成柏格斯矢量方向不同，本书图8-5和8-6的方向不同是由于引用不同文献所引起的。通常规定：出纸面的方向为位错的正方向，并以右手大拇指表示位错的正方向，其余四指指的方向表示柏格斯回路的转向（右手规则）。位错的两个基本特征：①位错的柏格斯矢量守恒；②位错不能终止于晶体内部。（2）螺位错图8.6螺位错的柏氏回路、柏氏矢量和螺位错滑移时周围原子的动作图8.7弯曲位错的柏氏矢量位错的守恒定律:流向某节点的各位错的柏氏矢量之和等于流出该节点各位错的柏氏矢量之和.即在带点处的柏氏矢量的总和为零.此即所谓位错守恒定律.位错密度的定义有两种:①单位体积材料中的位错总长度；②穿过单位面积的位错根数。8.3.2位错的守恒和密度(1)位错是晶体中原子排列的一种线缺陷,它可以是任意的空间曲线；(2)晶体中的位错或者形成一条封闭的曲线,或者终止在晶体的表面或晶界上,但不会结束在晶体内部；(3)位错把晶体中已滑移和未滑移部分区分开来。但是,这两部分间的过渡不可能是突变式的,否则将产生无法填补的裂缝。在位错及其附近有原子错排,错排的程度距位错越远越小。位错并不是几何意义上的线,而是一种管道,其横截面宽约有几个原子的范围。(4)位错及其周围质点总的错排程度可用柏格斯矢量代表。每1根位错只有1个柏格斯矢量(其模必不为零)。只要柏格斯矢量的性质相同,形成的就是相同类型的位错。8.3.3位错的定义位错的应变能分为:位错核心能和弹性应变能8.4.1位错核心能在位错中心几个原子间距或在半径r约为2b(b为柏格斯矢量的模)的长管道区域里,滑移面两侧原子间的错排能即相当于位错核心能。它约占总能量的1/10,常可忽略.8.4.2弹性应变能E=aGb2(6-2)a=0.5-1.0，G是切变模量，b是b为柏格斯矢量的模,b愈小弹性应变能愈低。位错愈稳定,愈容易生成。8.4位错的应变能图8.9中，对含刃位错（在位置1）的晶体施加切应力τ，其方向平行于柏格斯矢量。设该位置在此切应力的作用下由位置1按理想状况平行移动到位置2，虚线表示切变后晶格结点的位置，位置1和2的差别仅在中间的两列原子在同一行上稍稍移动而已，图中上部的原子稍向左移，下部的原子稍向右移。8.5.1位错的滑移刃位错的滑移造成了晶体的塑性变形。晶体的滑移方向就是位移的柏格斯矢量方向。螺位错和混合位错也可用类似的方法来分析。在金属晶体中，位错的滑移方向常平行于晶体结构中的一个原子密排面的方向，或者说，如果滑移面在一个原子密排面的方向上，滑移就容易发生。图8.9刃位错滑移时周围原子的动作在一定温度下，由于热运动，晶体内存在着一定数量的空位和填隙原子。在刃位错处的一排原子可因热运动而移去，成为填隙原子或者吸收空位，使位错向上移到另一个滑移面（图6-12），也可在刃位错处的半原子平面端部，因其他地方的原子移入或空位被晶格吸收而增添1排原子。使位错向下移动1个滑移面，这种位错在垂直于滑移面方向上的运动，称为位错的攀移，它实质上是多余半原子平面的伸长或缩短，并会因此造成体积的变化。8.5.2位错的攀移图6.12由于吸收空位而使位错向上攀移用弗兰克—里德（F—R）源机制说明，这种理论认为新位错的产生是原有位错增殖的结果（图8-13）。8.6位错间及其与空位间的相互作用晶体中存在1根位错时，在它的周围会产生1个应力场。如果在此位错的附近再产生（或引入）第2根位错，两者间会有相互作用，其结果必然是降低总的弹性作用能。反过来说，能量的变化意味着位错间有相互作用力。此外，位错与点缺陷（例如空位）之间的相互作用，也具有重要的意义。8.5.3位错的增殖符号相同的刃位错在同一个滑移面上的应用场是相同的，即在滑移面（图中水平线）下方是压应力（c）上方的是张应力（t），符号相同的位错，在滑移面的上下方的应力场正好方向相同，所以相互排斥；符号相反的位错，在滑移面的上下方的应力场正好方向相反，所以相互吸引。图8.15同一平面上刃位错间的相互作用（a）排斥；（b）吸引8.6.1平行螺位错间的相互作用在不同的滑移面上，符号相反的刃位错间仍有吸引力，但合并后，在两个半原子平面间形成一排空位（图8.16）图8.16不同平面上符号相反的刃位错间的相互作用（a）位错合并前；（b）位错合并后8.6.2平行刃位错间的相互作用