本期繼續(xù)對(duì)上海交通大學(xué)版《材料科學(xué)基礎(chǔ)》第3章內(nèi)容：晶體缺陷，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行講解?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》中晶體缺陷一章一直是考研的重點(diǎn)，這一章節(jié)內(nèi)容比較抽象復(fù)雜，屬于比較難理解和掌握的章節(jié)。我們通過制作動(dòng)圖，讓大家理解起來更容易、掌握起來更透徹，并將抽象概念與實(shí)際晶體相聯(lián)系，使得本章知識(shí)更容易掌握。

01位錯(cuò)的表征方法

1939年Burger J.M.提出的一種用滑移矢量來表示晶體畸變的物理量，稱為伯氏矢量→b。其物理意義如下：

• 伯氏矢量→b為一矢量，故具有大小和方向。

• 伯氏矢量→b 表示位錯(cuò)線周圍彈性變形量的總和，表示總畸變量的大小和方向。

• l→bl伯氏矢量的模表示伯氏矢量的大小，即位錯(cuò)強(qiáng)度，l→bl越大說明點(diǎn)陣畸變?cè)絿?yán)重。

伯氏矢量的確定方法

(1)首先選定位錯(cuò)線的正方向，如常規(guī)定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)線的正方向。

(2)在實(shí)際晶體中，繞位錯(cuò)線（避開位錯(cuò)線附近的嚴(yán)重畸變區(qū)）并按一定的步數(shù)作右旋的閉合回路MNOPQ。

(3)在完整晶體中按同樣的步數(shù)和方向作同樣回路，該回路必然不封閉。

由終點(diǎn)Q向起點(diǎn)M引一矢量，使回路完整。這個(gè)矢量就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的伯氏矢量。

伯氏矢量的性質(zhì)

伯氏矢量的守恒性：位錯(cuò)與回路的起點(diǎn)及其途徑無關(guān)，只要不和其他位錯(cuò)線相遇，不論回路怎么擴(kuò)大、縮小、或任意移動(dòng)，由此回路確定的伯氏矢量是唯一的，即伯氏矢量的守恒性。

由此可得出以下結(jié)論：

• 一條位錯(cuò)線只有一個(gè)伯氏矢量，且同一位錯(cuò)的伯氏矢量處處相同，即使在運(yùn)動(dòng)中。

• 流向節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的伯氏矢量的和等于流出的總和。

• 位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部。位錯(cuò)可以閉合成環(huán)、與其他位錯(cuò)相連、或終止于晶界或晶體表面。

• 根據(jù)伯氏矢量→b與位錯(cuò)線 t 的關(guān)系可確定位錯(cuò)類型

• 若→b∥t，則該位錯(cuò)為螺型位錯(cuò)

• 若→b⊥t，則該位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)

• 若→b與t既不平行也不垂直，則該位錯(cuò)為混合型位錯(cuò)

02 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

位錯(cuò)可以在晶體中進(jìn)行移動(dòng)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)使晶體產(chǎn)生塑性變形，晶體的強(qiáng)度與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易程度直接相關(guān)。位錯(cuò)有兩種基本運(yùn)動(dòng)方式，滑移和攀移。

滑移：在切應(yīng)力的作用下，當(dāng)此力克服位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力時(shí)，位錯(cuò)便可以沿著特定原子面（滑移面）進(jìn)行移動(dòng)，這種沿著滑移面移動(dòng)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)稱為滑移。

攀移：刃型位錯(cuò)在晶體內(nèi)沿著垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)攀移是一種擴(kuò)散過程，借助于空位或質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散與運(yùn)動(dòng)，刃型位錯(cuò)向上、向下攀移一定的原子間距。

滑移面：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移面是該條位錯(cuò)的伯氏矢量與其位錯(cuò)線確定的平面。

滑移系：一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。BCC、FCC、HCP的滑移方向是晶體的最密排方向，滑移面通常是晶體中原子的密排面。

在學(xué)習(xí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要熟悉其三個(gè)方向。

• 伯氏矢量的方向b：通過伯氏回路來確定

• 位錯(cuò)線的方向1：一般規(guī)定指向紙面向外為正；

• 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向v。

這三個(gè)方向中，容易將v和b的方向混淆，要多加注意。

03刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

（一）刃型位錯(cuò)的滑移

• 位錯(cuò)逐排依次前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩原子面的相對(duì)滑移

• 滑移量 = 伯氏矢量的模

• 外力 τ //→b，位錯(cuò)線1⊥τ，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向//切應(yīng)力的方向τ

• τ 一定時(shí)，正、負(fù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向相反，但最終滑移效果相同

• 刃型位錯(cuò)的滑移面唯一

• 滑移后，晶體體積不變，為守恒運(yùn)動(dòng)

（二）刃型位錯(cuò)的攀移

刃型位錯(cuò)還可以在垂直于滑移面的方向上運(yùn)動(dòng)即發(fā)生攀移。攀移具有如下特點(diǎn)：

• 攀移的實(shí)質(zhì)是多余半原子面的伸長或縮短。

• 攀移不是塑性變形的主要機(jī)制，若原滑移面受阻，攀移可避開障礙物便于后續(xù)滑移

• 攀移為原子擴(kuò)散或空位遷移過程，需要激活能，故在高溫時(shí)易出現(xiàn)。

• 攀移時(shí)體積變化，為非守恒運(yùn)動(dòng)

04螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

（一）螺型位錯(cuò)的滑移

• 滑移量 = 伯氏矢量的模

• τ //→b，位錯(cuò)線 1// τ ，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向⊥τ

• τ一定時(shí)，左、右螺位錯(cuò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向相反，但最終滑移效果相同

• 滑移面不唯一

（二）螺型位錯(cuò)的交滑移

• 由于螺型位錯(cuò)滑移面不唯一，當(dāng)其滑移運(yùn)動(dòng)過程受到阻礙，可在其它滑移面上滑移。

• 已發(fā)生交滑移的螺型位錯(cuò)，可再經(jīng)過一次交滑移回到與原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為雙交滑移。

• 交滑移仍為滑移，故不發(fā)生晶體體積變化，為守恒運(yùn)動(dòng)。

• 層錯(cuò)能越高，越容易發(fā)生交滑移。

05混合位錯(cuò)（位錯(cuò)環(huán)）的滑移

除了A、B、C、D四點(diǎn)外，位錯(cuò)環(huán)上其他各點(diǎn)均為混合型位錯(cuò)。

沿→b方向施加切應(yīng)力 τ 時(shí)，位錯(cuò)環(huán)上的各點(diǎn)均沿其法線方向在滑移面上向外擴(kuò)展。

當(dāng)位錯(cuò)環(huán)滑過整個(gè)滑移面，滑出晶體時(shí)，晶體表面處沿切應(yīng)力方向形成一個(gè)寬度為b的臺(tái)階。如果外加切應(yīng)力方向相反時(shí)，位錯(cuò)環(huán)逐漸縮小，甚至消失。

06重要思考題

位錯(cuò)與塑性、強(qiáng)度之間的關(guān)系？

07易錯(cuò)題分享

已知位錯(cuò)環(huán)ABCD的伯氏矢量為b，外應(yīng)力為 τ 和σ，如圖所示。試求：

(1)位錯(cuò)環(huán)的各邊分別是什么位錯(cuò)；

(2)設(shè)想在晶體中怎樣才能得到這個(gè)位錯(cuò)；

(3)在足夠大的切應(yīng)力 τ 作用下，位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)；

(4)在足夠大的拉應(yīng)力σ作用下，位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)。

上期答案

如圖所示，π為晶體中的滑移面，虛線為位錯(cuò)線，陰影部分為已滑移區(qū)。

（1）試分析各圖中的位錯(cuò)類型；

（2）標(biāo)出位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向；

（3）在外加切應(yīng)力作用下，當(dāng)位錯(cuò)線掃過整個(gè)滑移面時(shí)，晶體會(huì)在什么方向上發(fā)生多大的塑性變形？

【解析】

（1）刃位錯(cuò)；螺位錯(cuò)；混合位錯(cuò)；混合位錯(cuò)；混合位錯(cuò)

（2）位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)始終垂直于位錯(cuò)線

（3）會(huì)發(fā)生大小為伯氏矢量的模，方向平行于伯氏矢量的塑性變形

歡迎加入材子考研《材料科學(xué)基礎(chǔ)》討論群324840917，和小材一起來討論吧。關(guān)于本部分內(nèi)容的任何問題都可以在微信留言哦，小材將定期為大家解答！?