位错攀移
材料科学术语
刃位错除沿滑移面滑移外,还可垂直于滑面发生攀移,相当于其半原子面垂直于滑移面上下移动。这是刃位错的一个重要性质。它涉及位错附近的空位聚集或部分原子扩散的过程。在材料热处理和冷热加工中会经常遇到这个问题。
简介
位错攀移需通过扩散实现,故低温时位错攀移比较困难,高温下攀移轻易实现。作用于攀移面的正应力有利于位错攀移,如图1所示的外加压应力P,可促进正攀移;晶体中过饱和的空位,也有利于攀移,可见经淬火或冷加工后的金属在加热时,位错攀移将起重要作用。在电子显微镜下研究高温合金显微结构与力学性能的关系时,总会涉及位错的攀移和它对位错组态的影响。
位错攀移是靠原子或空位的转移来实现的。当原子从多余半原子面下端转移到别处去,或空位从别处转移到半原子面的下端时,位错线便向上攀移,即正攀移;反之,当原子从别处转移到原子面下端时,或空位从这里转移到别处去时,位错线就向下攀移,即负攀移。攀移矢量大小等于滑移面的面间距。由于位错攀移需要物质的扩散,因此,不可能整条位错线同时攀移,只能一段一段(或者一个、几个原子)地逐段进行。这样,位错线在攀移过程中就会变成折线,出现割阶。随着攀移的进行,这些割阶将沿着运动方向行进,直到它移过整个位错线才完成一个矢量的攀移。
刃型位错
位错线垂直于滑移的方向的位错称为刃型位错。在晶体的上半部分有半个多余的晶面,它像用刀劈柴那样,挤入一组平行晶面之间,而位错线正好处于所插人晶面的刀刃上。如图2所示:
将晶体的上半部分向右移动一个原子间距,再按原子的结合方式连接起来。除分界线附近的一管形区域例外,其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面(HEFG),这就是刃型位错。FE是位错线,并且与滑移方向b垂直。
攀移力
位错的攀移力,就是使位错发生攀移运动的力。它一般包括两部分:(1)化学攀移力Fs,是指不平衡空位浓度施加给位错攀移的驱动力。(2)弹性攀移力Fc,是指作用于半原子面上的正应力分量作用下,刃位错所受的力。其中压应力能促进正攀移,拉应力则可促进负攀移。
激活能
位错攀移的激活能Uc由割阶形成的激活能Uj及空位的扩散激活能Ud两部分所组成。若晶体经过塑性形变,因位错交割已经形成大量割阶,则Uc=Ud。一般Uj=1eV,而Ud较大,如对Fe,Ud=2.5eV,室温时kT=0.026eV,由此可见,在常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是,在许多高温过程,如蠕变、回复、单晶拉制中,攀移起着重要的作用。例如,经塑性变形的晶体,位错无规则的分布在滑移面上,但若加热到一定温度,这些位错会通过攀移离开原来的滑移面,在位错之间的相互作用下沿纵向排列起来,从而消除大部分的内应力。所以位错攀移在低温下是难以进行的,只有在高温下才能发生。
实验观察
在单晶生长中常利用位错攀移来消除空位。例如拉制单晶硅时,首先高速拉制,是单晶中的空位过饱和,然后使生长的单晶逐渐变细,则多余半原子面与空位不断交换而逐渐退出晶体。 位错攀移运动已通过实验得到验证。例如,通过薄膜透射电镜观察淬火金属的热回复过程时发现,原来淬火时由空位聚集成片并形成位错环逐步缩小,最终消失。这种位错环由刃位错所组成,其伯氏矢量垂直于位错环所在平面,只能在垂直于位错环的柱面上滑移,称为棱柱位错环。这种位错环在环所在的平面上只能攀移。因此环半径的收缩可以肯定是位错的攀移过程。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 14:28
目录
概述
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