晶體知識—位錯(cuò)的生成和增值知識介紹

位錯(cuò)的生成和增值

01

位錯(cuò)密度

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

L為位錯(cuò)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(cuò)線的總長度，近似用穿過單位面積晶面的位錯(cuò)條數(shù)來表示位錯(cuò)密度：

為每條位錯(cuò)線的長度，n為在面積A中所見到的位錯(cuò)數(shù)目

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

超純金屬單晶體的位錯(cuò)密度可低于103 cm-2

退火態(tài)金屬的位錯(cuò)密度約為 106~108 cm-2

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

02

位錯(cuò)的生成

晶體中的位錯(cuò)來源主要可有以下幾種。

1). 晶體生長過程中產(chǎn)生位錯(cuò)。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(cuò)作為過渡；

② 由于溫度梯度、濃度梯度、機(jī)械振動(dòng)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(huì)形成位錯(cuò)；

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(shí)體積變化的熱應(yīng)力等原因會(huì)使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階或受力變形而形成位錯(cuò)。

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

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(shí)，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯(cuò)。

03

位錯(cuò)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(gè)原子間距時(shí)才可能形成可見的滑移帶；但單個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，掃過滑移面時(shí)，則只形成一個(gè)原子間距的相對位移后即消失。

晶體的滑移不是固有位錯(cuò)的滑移造成的。因此，位錯(cuò)必然通過某種方式不斷增殖！

（1）弗蘭克-里德（Frank-Read, FR）位錯(cuò)源

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

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

F-R位錯(cuò)源增殖機(jī)制

F-R位錯(cuò)源增殖機(jī)制的動(dòng)圖演示

弗蘭克-瑞德(F-R)源的產(chǎn)生：

刃型位錯(cuò)的攀移

位錯(cuò)交割后形成固定割階

螺型位錯(cuò)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(cuò)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)陣摩擦力和障礙物阻力。

外加切應(yīng)力τ與位錯(cuò)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(cuò)AB彎曲成半圓時(shí)，曲率半徑最小，所需的切應(yīng)力最大。

此時(shí)r=L/2，L為A與B之間的距離。

所以F-R源開動(dòng)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(cuò)在雙交滑移后，可形成不在原滑移面，且阻礙原位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的刃型割階，使原位錯(cuò)成為一個(gè)F-R源。

有時(shí)在第二個(gè)(111)面擴(kuò)展出來的位錯(cuò)圈又可以通過交滑移轉(zhuǎn)移到第三個(gè)(111)面上進(jìn)行增殖，從而使位錯(cuò)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