晶體知識—位錯的生成和增值知識介紹

位錯的生成和增值

01

位錯密度

位錯密度為單位體積內(nèi)位錯線的總長度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

L為位錯線總長度，V為晶體的體積

但由于無法測量實(shí)際晶體內(nèi)位錯線的總長度，近似用穿過單位面積晶面的位錯條數(shù)來表示位錯密度：

為每條位錯線的長度，n為在面積A中所見到的位錯數(shù)目

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

超純金屬單晶體的位錯密度可低于103 cm-2

退火態(tài)金屬的位錯密度約為 106~108 cm-2

強(qiáng)烈塑性變形后的金屬中位錯密度約為 1010~1012 cm-2

02

位錯的生成

晶體中的位錯來源主要可有以下幾種。

1). 晶體生長過程中產(chǎn)生位錯。其主要來源有：

① 由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點(diǎn)陣常數(shù)也有差異，可能形成位錯作為過渡；

② 由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動等的影響，致使生長著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲引起相鄰晶塊之間有位相差，它們之間就會形成位錯；

③ 晶體生長過程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時體積變化的熱應(yīng)力等原因會使晶體表面產(chǎn)生臺階或受力變形而形成位錯。

2). 由于自高溫較快凝固及冷卻時晶體內(nèi)存在大量過飽和空位，空位的聚集能形成位錯。

3). 晶體內(nèi)部的某些界面（如第二相質(zhì)點(diǎn)、孿晶、晶界等）和微裂紋的附近，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，往往出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)此應(yīng)力高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯。

03

位錯的增值

晶體的塑性變形以滑移方式進(jìn)行，當(dāng)滑移量為一千個原子間距時才可能形成可見的滑移帶；但單個位錯運(yùn)動，掃過滑移面時，則只形成一個原子間距的相對位移后即消失。

晶體的滑移不是固有位錯的滑移造成的。因此，位錯必然通過某種方式不斷增殖！

（1）弗蘭克-里德（Frank-Read, FR）位錯源

若某滑移面有一段刃型位錯AB，兩端固定不能運(yùn)動。在沿其垂直線方向外加應(yīng)力使位錯沿滑移面運(yùn)動，由于兩端固定，所以只能使位錯線彎曲。

在應(yīng)力作用下，先生成一小段彎曲的位錯線，再生成相互抵消的左螺位錯和右螺位錯，然后形成一閉合的位錯環(huán)和環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位錯線。若持續(xù)施加應(yīng)力，位錯環(huán)會向外擴(kuò)張，且位錯環(huán)內(nèi)的彎曲位錯恢復(fù)直線，并產(chǎn)生新的位錯環(huán)。周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)位錯增殖。

F-R位錯源增殖機(jī)制

F-R位錯源增殖機(jī)制的動圖演示

弗蘭克-瑞德(F-R)源的產(chǎn)生：

刃型位錯的攀移

位錯交割后形成固定割階

螺型位錯交滑移

弗蘭克-瑞德(F-R)源發(fā)生作用的條件：

外加切應(yīng)力大于位錯運(yùn)動點(diǎn)陣摩擦力和障礙物阻力。

外加切應(yīng)力τ與位錯線曲率半徑γ之間的關(guān)系為：τ=Gb/2r

即曲率半徑越小，則需要的切應(yīng)力越大。

當(dāng)位錯AB彎曲成半圓時，曲率半徑最小，所需的切應(yīng)力最大。

此時r=L/2，L為A與B之間的距離。

所以F-R源開動的臨界切應(yīng)力為：τc=Gb/L

（2）雙交滑移增殖機(jī)制

螺型位錯在雙交滑移后，可形成不在原滑移面，且阻礙原位錯線運(yùn)動的刃型割階，使原位錯成為一個F-R源。

有時在第二個(111)面擴(kuò)展出來的位錯圈又可以通過交滑移轉(zhuǎn)移到第三個(111)面上進(jìn)行增殖，從而使位錯迅速增加。因此，它是比上述的弗蘭克-瑞德更有效的增殖機(jī)制

雙交滑移增殖機(jī)制

審核編輯：劉清