复旦大学物理第4课研讨.doc

第4课 位错的概念：在晶体中，位错概念是从诠释实际晶体易于塑性形变（范性形变）的内在原因而引人的。简单的理论计算表明，理想完整晶体中要使晶面间作整体的相对滑动，从而实现晶体的塑性形变，大约需要高达切变模量的l／10，即G/10的外切应力．这在实践过程中是不太可能的。于是人们设想了位错模型，在位错中从现有的位置移动到相邻的类同位置，只需少数原子作一些位置调整，位错连续作这样的移动并扫过整个晶体，则完成整个晶面问的相对滑动，最终实现塑性形变。这一过程只需甚小的外切应力，在塑性较好的金属材料中，实测的临界切应力与对含位错晶体的理论计算值是相当接近的，仅为10-4～l0-5G上下。 线缺陷：位错 如果晶体中原干排列周期性的破坏，集中于某条线周围，那么这种缺陷称为线缺陷，如果将原子在晶体中排列设想为一层层的结构，而在层与层的相砌过程中发生了如图3．2．1(a)所示的那种在某一层中少了半层原干的结构，这种错排导致的晶体缺陷集中在中断原子面的刃口处，所以称之为刃位错。也可能发生如图3．2．1(b)那样的错排，此时，再绕轴线一周原子面上开一个晶面间距，而晶格缺陷集中于轴线附近构成另一种线缺陷，称为螺位错。最初位错概念是为了说明机械强度提出的，但是后来人们发现，它影响着晶体的力学，电学，光学等方面的性质，并且直接关系到晶体的生长过程。 对于刃位错，位错线与运动方向相垂直，而在螺位错的情况下，两者相互平行。 刃位错的表示：⊥ 位错环 1 空穴导入型： 2 间隙原子导入型： 伯格斯（Burgers）矢量 柏掐斯矢量可以用柏格斯回路法来确定。具体做法是：在含位错的晶体中．取远离位错线的一阵点作为起点，绕着位错线按右手螺旋法则连接相邻的原于作一远离位错线的闭合回路；再在完整晶体中如固5-4(b)、(d)所示以任一阵点为起点，以类同的方法作回路，此回路将不闭合。则后者由回路终点指向起点的差距矢量就定义为该位错的柏格斯矢量b。易知，这相当于图中的FS矢量。刃位错的伯格斯矢量与位错线垂直，而螺位错的与其平行或反平行。 对于同一根位错线而言，柏格斯回路的上述作法并未对回路具体路线作任何限制，因此，可以断定，所有回路路线得出的结果完全相同，表明一根位错线只有一个柏格斯矢量。 伯格斯矢量的特点： 位错线上各点的伯格矢量相同，它仅与位错L附近的情况有关而与伯格斯回路的起点及形状无关。 包围几个位错回路的伯格斯矢量等于各个位错伯格斯矢量之和。 若取交汇于一点的所有位锗线的方向全部指向(或全都背向)结点，则应有： 位错的一些性质和现象 位错的攀移与空位的产生和消灭 前面讲到，刃位错可以在滑移面内运动，实际上，它也可以垂直于滑移面运功，如图10．22所示。这种运动称为位错的攀移。攀移运动伴随着空位的产生和消灭。 位错与杂质原子 由于位错线附近品格畸变，晶体中的杂质原子会在这里集聚：如图l0．23所示。当比基质原子小的杂质原子A进入品格时，它倾向于处在刃位错线上部晶格受压缩的区域。当比基质原子大的杂质原子B进入晶格时，它择优处在刃位错线下部晶格受扩张的区域，以此来减少晶体的形变势能。所以，位错线附近容易聚集杂质原子。 加工硬化 人们都知道，反复弯曲一个比较柔软的金属棒之后，它会变硬以至断裂。这就是加工硬化的例子。每次弯曲金属挥，越来越多的位错流入棒中(在棒中出现)，当位错多到一定程度时，它们之间互相阻止流动，然后晶体就失去了进一步变形的能力，再加大应力，就会断裂。 位错和晶体生长 ‘ 从液态中生长晶体时，成核是非常困难的。但是，如果在溶液中已经有籽晶，那么原了将首先在仔晶表面的拐角或台阶处沉积下来。因为在这里原子的能量低，容易被束缚住。如果晶体中存在着螺位错，则晶体表面存在一个天然的生长台阶，而且随着原于沿台阶的集合生长，并不会消灭台阶，而只是使台阶向前移动，如图10．24所示。 位错与小角晶界 外观上完好的实际单晶体也会形成镶嵌结构。在这种结构中，晶体的一部分和另一部分之间的晶格取向出现了小角偏差，如图10．26所示，一个简立方晶体，它的两部分交界面为(010)面，这两部分绕[001]轴有一小角?的倾新。两部分之间的晶界区尽可能地让原子填充进去。这些插入的原子半平面，在其终止处形成了刃位错。所以，可以把小角晶界看成是由一系列刃位错排列而成。令D代表两个刃位错的平均距离，b代表滑移（伯格斯）矢量的大小，则 反过来，如果晶体中存在位错，那么与其相毗邻时材料的晶格取向将略有偏差。 位错的电子显微像 面缺陷 从形式上看，任何一个晶体都可以看成是一层层原子按一定方式堆砌而成．密排面内原子间的键合较强，相邻密排面间原子的键合一般较弱。 主要面缺陷： 层错： 晶体可视为由原子层堆垛而成，在简立方