金屬位錯(cuò)理論

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1、金屬位錯(cuò)理論位錯(cuò)的概念最早是在研究晶體滑移過程時(shí)提出來的。當(dāng)金屬晶體受力發(fā)生塑性變形時(shí)，一般是通過滑移過程進(jìn)行的，即晶體中相鄰兩部分在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面晶向相對滑動(dòng)，滑移的結(jié)果在晶體表面上出現(xiàn)明顯的滑移痕跡——滑移線。為了解釋此現(xiàn)象，根據(jù)剛性相對滑動(dòng)模型，對晶體的理論抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算，所估算出的使完整晶體產(chǎn)生塑性變形所需的臨界切應(yīng)力約等于G/30，其中G為切變模量。但是，由實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際晶體的屈服強(qiáng)度要比這個(gè)理論值低3~4數(shù)量級。為解釋這個(gè)差異，1934年，Taylor，Orowan和Polanyi幾乎同時(shí)提出了晶體中位錯(cuò)的概念，他們認(rèn)為：晶體

2、實(shí)際滑移過程并不是滑移面兩邊的所有原子都同時(shí)做剛性滑動(dòng)，而是通過在晶體存在著的稱為位錯(cuò)的線缺陷來進(jìn)行的，位錯(cuò)再較低應(yīng)力的作用下就能開始移動(dòng)，使滑移區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)滑移面上的原子都先后發(fā)生相對滑移。按照這一模型進(jìn)行理論計(jì)算，其理論屈服強(qiáng)度比較接近于實(shí)驗(yàn)值。在此基礎(chǔ)上，位錯(cuò)理論也有了很大發(fā)展，直至20世紀(jì)50年代后，隨著電子顯微鏡分析技術(shù)的發(fā)展，位錯(cuò)模型才為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，位錯(cuò)理論也有了進(jìn)一步的發(fā)展。目前，位錯(cuò)理論不僅成為研究晶體力學(xué)性能的基礎(chǔ)理論，而且還廣泛地被用來研究固態(tài)相變，晶體的光、電、聲、磁和熱學(xué)性，以及催化和表面性質(zhì)等。一、位錯(cuò)的基本類型和特征位錯(cuò)指

3、晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排，是晶體原子排列的一種特殊組態(tài)。從位錯(cuò)的幾何結(jié)構(gòu)來看，可將他們分為兩種基本類型，即刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。1、刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。設(shè)含位錯(cuò)的晶體為簡單立方晶體，晶體在大于屈服值的切應(yīng)力t作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。多余的半排原子面EFGH猶如一把刀的刀刃插入晶體中，使ABCD面上下兩部分晶體之間產(chǎn)生了原子錯(cuò)排，故稱“刃型位錯(cuò)”。晶體已滑移部分和未滑移部分的交線EF就稱作刃型位錯(cuò)線。圖1.1含有刃型位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)刃型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原字面。一般把多出的半原字面在滑移面上邊

4、的稱為正刃型位錯(cuò)，記為“^”；而把多出在下邊的稱為負(fù)刃型位錯(cuò)，記為“T”。其實(shí)這種正、負(fù)之分只具有相對意義，而無本質(zhì)的區(qū)別。（2）刃型位錯(cuò)線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。他不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。（3）滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。（4）晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面的上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力；負(fù)刃型

5、位錯(cuò)與此相反。（5）在位錯(cuò)線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯(cuò)是線缺陷。2、螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)是另一種類型的位錯(cuò)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可用圖1.2來加以說明。晶體在外加切應(yīng)力t作用下，沿ABCD面滑移，圖中BC線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。在BC與aa’線之間上下兩層原子發(fā)生了錯(cuò)排現(xiàn)象，連接紊亂區(qū)原子，會畫出一螺旋路徑，該路徑所包圍的管狀原子畸變區(qū)就是螺型位錯(cuò)。圖1.2螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)具有以下特點(diǎn)：（1）螺型位錯(cuò)無額外的半原字面，原子錯(cuò)排是呈軸對稱的。（2）根據(jù)位錯(cuò)線附近呈螺旋形排列的原

6、子的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺型位錯(cuò)可分為左旋和右旋螺型位錯(cuò)。（3）螺型位錯(cuò)線與滑移矢量平行，因此一定是直線，而且位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體移動(dòng)方向互相垂直。（4）純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯(cuò)線的平面都可以作為它的滑移面。但實(shí)際上，滑移通常是在那些原子密排面上進(jìn)行的。（5）螺型位錯(cuò)線周圍的點(diǎn)陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯(cuò)線的切應(yīng)變而無正應(yīng)變，則不會引起體積膨脹和收縮，且垂直于位錯(cuò)線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。(6)螺型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變歲離位錯(cuò)線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個(gè)原子寬度的線缺陷。3、混合位錯(cuò)除上面介紹的兩

7、種基本類型位錯(cuò)外，還有一種形式更為普遍的位錯(cuò)，其滑移矢量既不垂直也不平行位錯(cuò)線，而與位錯(cuò)線相交成任意角度，這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如圖1.3所示。位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的柏氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。圖1.3混合位錯(cuò)的形成及分解示意圖由于位錯(cuò)線是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線。因此，位錯(cuò)具有一個(gè)重要的性質(zhì)，即一根位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括境界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯(cuò)線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯(cuò)成為

8、位錯(cuò)環(huán)。二、伯氏矢量為便于描述晶體中的位錯(cuò)，以及更為