一純螺型和一純刃型位錯平行:由於螺型力場,而沒有刃型滑移和攀移所需的和;同樣,刃型力場、、和中也沒有螺型滑移所需的,所以,兩位錯間沒有相互作用
任意柏格斯向量的兩個平行的直線位錯:分解為刃型分量和螺型分量,分別計算兩螺和兩刃間的相互作用,再疊加起來
結論:若柏格斯向量夾角2、位錯塞積:許多位錯被迫堆積在某種障礙物前,如圖2-40所示,它們來自同一位錯源,具相同的柏格斯向量,障礙物如晶界
塞積群(在垂直於位錯線方向的)長度:對刃型為nb/(1-),對螺型為nb/。正比於位錯總數n,反比於外加切應力
塞積群的平衡:外加切應力所產生的滑移力fx=b,使位錯盡量靠緊;其他位錯間的排斥力(每一對位錯間的排斥力,式2-74)使位錯盡量散開;障礙物阻力(短程),僅作用在塞積群前端的位錯上達很高的數值。三者間的平衡
位錯塞積群前端的應力集中:受外力,同時受所有其它位錯作用在領先位錯與障礙物間擠壓產生區域性應力。n(塞積位錯數)倍於外力的應力集中,能使相鄰晶粒屈服,也可能在晶界處引起裂縫。
3.位錯反應:位錯之間的相互轉化。譬如一分為二或兩合為一,
位錯反應條件:1、反應前向量和等於反應後向量和,即
2、反應後總能量小於反應前總能量,即(因為能量正比於b2)。反應使能量從4b2降為2b2變穩定
4.位錯交割:位錯互相切割的過程
林位錯:穿過運動位錯的滑移面的其它位錯。它會阻礙位錯運動或位錯切它而過
位錯割階:交割過程中使位錯被切割而產生的一小段不在原滑移面上的位錯( 圖2-41)為兩刃交割:它的柏格斯向量是原向量;( 圖2-42)為一刃一螺交割:柏格斯向量與螺位錯相同
點缺陷在晶體中引起彈性畸變,受到位錯應力場的作用。如正刃,滑移面上晶胞體積小一些,吸引比基體小的置換式溶質原子和空位;下邊大一些,吸引間隙原子和比基體原子大的置換式溶質原子
位錯與溶質原子的相互作用能:外力(被假定為球形的溶質原子改變體積)反抗位錯應力場所作的功
v為溶質與基體原子體積差。
刃型位錯的應力場公式代入有:
, 其中
以此可分析得到吸引或排斥某種原子的區域, 圖2-43
史諾克(snoek)氣團:螺型位錯與周圍的溶質原子作用,原子在沿x、y、z的三種麵心位置上發生擇優分布(應力感生有序),使系統能量降低。這是因為麵心位置上原子在<100>方向相接鄰的基體原子距離近,在<110>方向相接鄰的基體原子距離遠,所以產生四方性的畸變( 圖2-44),不但有正應力分量,同時有切應力分量,也與螺型位錯發生相互作用
柯垂耳(cottrell)氣團:若溫度和時間允許,溶質原子向位錯附近的聚集。使位錯的運動受到限制,因為這時推動位錯運動,或掙脫氣團束縛,或拖著氣團前進
電學相互作用:刃位錯附近晶格的區域性膨脹和壓縮引起自由電子的再分布,在膨脹一側濃度偏高,壓縮一側偏低,結果使得膨脹區荷負電,壓縮區荷正電,整個位錯成為乙個線狀的電偶極子。
化學相互作用:位錯周圍溶質原子的濃度滿足,
其中c0為溶質原子平均濃度,u為互作用能。超過溶解度極限時,沉澱物質點在位錯線上析出
空位、間隙原子和位錯的互相轉化:過飽和度太高的空位沿一定晶面聚成片狀析出,如圖2-45所示,太大後失穩,崩塌並合,轉化成位錯環;異號刃位錯相遇,互相抵消,變成一列空位或填隙原子,如圖2-46所示;當兩個螺型位錯相切割時會產生刃型的位錯割階,帶有刃型割階的螺型位錯繼續滑移時,它的割階將被迫攀移,結果在割階走過的地方產生一串空位或者間隙原子,如圖2-47所示。
儘管位錯是熱力學不穩定的缺陷,但它們卻經常存在於晶體之中,特別是金屬晶體,位錯密度一般很高
位錯產生:位錯的能量很大,除非晶體受到的應力接近理論切變的強度,位錯不能靠熱啟用產生。位錯不會在晶體中均勻形核
1、過飽和空位可以凝聚成空位片( 圖2-45),空位片崩塌時便轉化成位錯環
2、結晶時若偏析顯著,點陣常數也不同,過渡區可能形成一系列刃型位錯。
3、另一種元素從表面向晶體中擴散、沉澱物或夾雜物,也會因為內應力形成位錯
4、位向有輕微差別的晶體相遇,結合處將形成位錯。 圖2-48
5、在裂縫尖端、夾雜物介面、表面損傷附近等應力集中區會產生位錯
退火金屬,位錯密度約為106~108/cm2,塑性形變時增加到10ll~1012/cm2。可見,增殖了
弗蘭克一瑞德(frank-read)源:一段刃型位錯ab,它的兩端被位錯網節點釘住,如圖2-49所示,外加切應力作用下,放出大量位錯環,造成位錯的增殖。動作過程如圖2-50所示,(以及它的動畫演示)
弗蘭克-瑞德源需要施加的應力:利用滑移力ft克服線張力作功的關係,( 圖2-51)平衡時有:,可見曲率半徑越小,要求與之相平衡的切應力越大。
位錯彎成半圓形,相應的應力達到最大值。所以,這時有:
弗蘭克-瑞德源開動的臨界應力:形成過程中所需的最大應力,
。l是位錯線ab的長度
不僅位錯網可產生節點、螺型位錯交叉滑移中會自行提供。
雙交滑移增殖機構:螺位錯開始在p2麵中滑移,遇障礙,位錯的一段交叉滑移到q面,繞過障礙後又回到與p2面相平行的p1面,q面形成的兩段刃型位錯不能隨p1、p2面上的位錯一起前進,成為釘扎點,位錯增殖,如圖2-52所示。
單點源:滑動位錯只有一端被固定,切應力的作用下形成蜷線並繞固定點轉動,當它轉動的圈數足夠多時,產生大量滑移的效果
如果牽制位錯端點的是乙個螺型位錯或具有螺型分量的位錯,那麼位錯的掃動面將不是乙個平面,而是乙個螺旋麵。位錯每旋轉一周便上公升到相鄰的乙個原子面( 圖2-53)
具有單個釘扎點時也會產生位錯
處於晶體表面和介面上的質點,其境遇與晶體內部結構是不相同的,表面和介面通常是包含了幾個原子層厚的區域,故把它看作是一類晶體缺陷,即面缺陷。物體的表面與介面行為,對固體材料的物理、化學等性質有著重要的影響。
固體表面力:晶體中每個質點力場是對稱的。固體表面,質點排列的週期重複性中斷,力場對稱性破壞,表現出的剩餘鍵力
1、化學力:本質上是表面質點的不飽和價鍵引起的靜電力
2、分子引力:表面與被吸附質點間相互作用的范德華力
分子間引力主要**:
a、定向作用,發生在極性分子(離子)之間,相鄰兩個極化電矩因極性不同而相互作用,平均位能e0:,其中μ為電矩;
b、誘導作用,發生在極性分子與非極性分子之間。非極性分子被極化誘導出乙個暫時的極化電矩,隨後與原來的極性分子產生定向作用。位能eι:,其中α為非極性分子的極化率。
c、分散作用,發生在非極性分子之間。瞬間極化電矩之間以及它對相鄰分子的誘導引起的相互作用。位能ed:
對不同物質,上述三種作用並非均等,三種作用力均與分子間距離的七次方成反比
系統要降低表面過剩能量,導至表面質點的極化、變形、重排並引起原來晶格的畸變,這種過程可示意如圖2-54。
對於離子晶體:外側不飽和,電子雲向內正離子方變形,使該負離子誘導成偶極子,降低了晶表負電場。接著,表面負離子被推向外側,形成表面雙電層。
如圖2-55和圖2-56所示。同時,表面被一層負離子遮蔽並導致表面層在組成上成為非化學計量。nacl表面幾層離子的分布如圖2-57。
與晶體內部相比,表面層離子排列的有序程度降低了,鍵強數值變得分散,分布在乙個甚寬的數值範圍。這種影響可以用鍵強b對導數dn/db(n為鍵數目)作圖,所得的分布曲線示於圖2-58。對於理想晶體(或大晶體),曲線是很陡峭的,而對於表面層部分(或微細粉體),曲線則變得十分平坦。
表面能:能量高的原子層組成的表面的單位面積自由能的增加,即產生單位表面所作的功
本身不同結晶面上的原子密度存在著很大的差別,具有不同的吸附性、晶體生長、溶解度及反應活性。 圖2-59是乙個具有麵心立方結構的晶體的表面構造
完美晶格結構的晶體表面:
分成兩種型別:
1、 緊密堆積表面:表面平坦,沒有波折,所有的原子距離該表面的平行平面的距離都相等
2、 不緊密堆積的表面:即台階式的表面,表面有波折。
由於表面要求能量低,所以有台階出現在表面;另有空位,位錯露頭,吸附原子。生長時有些位置易填入原子,所以表面是不均勻的。如圖2-60所示。
晶界:屬於同一固相但位相不同的晶粒間的介面,它是一種內介面。動畫示意
晶界位置的確定:(1)兩個點陣相對的位向;(2)晶界相對於乙個點陣的位向。二維點陣的晶界有兩個自由度, 圖2-61。
三維點陣的晶界有五個自由度,三個自由度確定乙個晶粒相對於另一晶粒的位向,另兩個確定晶界相對於其中某一晶粒的位向。 圖2-62
晶界分類:根據位向差()的不同,晶界分為兩類:
(1)小角度晶界-兩相鄰晶粒的位向差約小於10;
(2)大角度晶界-兩晶粒間的位向差較大,一般大於10以上。
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