负刃型位错的运动与单元体切应力方向正负相反吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-11-30 01:40 标签： 单元体切应力方向正负

晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。

晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。AD是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。

晶体局部滑移造成的刃型位错

位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受拉应力作用，原子间距大于正常晶格间距。

分类：正刃位错，“┴” ；负刃位错，“┬” 。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。

（3）刃型位错的结构特征

①有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；

②位错线可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直;

③只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；

④位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言，上方受压，下方受拉。

⑤位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。

晶体在外加切应力τ作用下，沿ABCD面滑移，图中AD线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，形成螺位错。

晶体局部滑移造成的螺型位错

（2）几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。螺型位错的分类：有左、右旋之分。它们之间符合左手、右手螺旋定则。

①螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排是轴对称的，分右旋和左旋螺型位错；

②螺型位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；

③滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；

④位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；

⑤位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。

在外力τ作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位错。如下图所示。

位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。

混合位错特征：混合位错可分为刃型分量和螺型分量，它们分别具有刃位错和螺位错的特征。刃：ξ⊥b ；螺：ξ∥b （ξ为位错线正向）。

注意：位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，所以一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环。位错环（dislocation loop）是一种典型的混合位错。

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第三节作用在位错上的力及位错的运动一、作用在位错上的力实际：位错在外加切应力或其他内应力的作用下发生运动或有运动的趋势。假设：位错上作用了一个力，驱使位错运动，则必垂直于位错线。外加切应力为τ，位错长度为，柏氏矢量为，移动距离为，已滑移区面积，作用在该区域上的外力为τ，该区域的滑移量为，则滑移消耗的功为：=τ力使位错线移动所做的功为：=∵=，即：=τ故有=τ作用于单位长度位错线的力则为：=τ此式表明：的大小与τ和成正比。同一位错线上各点相同，只要切应力均匀地作用在晶体上，则位错线上各处力的大小也相同。力的方向：垂直于位错线，指向滑移面的未滑移区。刃位错：力与外加切应力τ的方向一致。螺位错：力与外加切应力τ的方向垂直。说明：力并不是τ的分力，τ是位错附近原子实际受到的力，与的方向一致；只是作用在位错上的假想力，为组态力，不代表原子实际所受的力，也区别于作用在晶体上的力。任意形状位错：力的大小仍为τ，方向为位错线上各点的法线方向。二、位错的运动位错运动的两种基本形式——滑移和攀移。滑移：位错线沿着滑移面的运动。攀移：位错沿着垂直于滑移面的方向运动。刃型位错：既可滑移，也可攀移；螺型位错：只能滑移，不可攀移。、位错的滑移）刃型位错的滑移原子的移动：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿切应力方向作少量移动(个原子间距)，就可使位错线在滑移面上向右移动个原子间距。故位错滑移只需很小的切应力。刃型位错滑移时原子的移动在相同的切应力作用下，负刃位错的移动方向与正刃位错相反。但造成的晶体滑移的结果相同。刃型位错线的移动：滑移方向：垂直于位错线，但平行于；滑移面：位错线与构成的平面，是一个确定的平面。滑移结果：产生一个宽度为的台阶。）螺型位错的滑移原子的移动：：为滑移面以上原子。：为滑移面以下原子。)图中，虚线：点阵原始位置；实线：位错滑移一个原子间距后的状态。切应力作用下，位错周围的原子沿切应力方向移动一个微小距离，位错线向左移动了一个原子间距。螺型位错线的运动滑移方向：垂直于位错线，也与垂直；滑移面：位错线与构成的平面，位错线与平行，可以有多个。滑移结果：产生一个宽度为的台阶。）混合型位错的滑移在相同的切应力作用下：正、负刃型位错线的运动方向相反；左、右螺型位错线的运动方向相反。位错环：滑移方向：也垂直于位错线，沿外法线方向向外扩展，而与成任意角度；滑移结果：产生一个宽度为的台阶。、位错的攀移正攀移：多余半原子面向上移动。需失去最下面的一排原子。实现方式：空位扩散到半原子面的下端，或半原子面下端的原子扩散到别处。负攀移：多余半原子面向下移动。实现方式：空位扩散到别处，或原子扩散到半原子面的下端。攀移的特点位错攀移伴随物质的迁移，需要扩散才能实现。()位错攀移时，需要热激活，所需能量较滑移大；()低温时攀移较困难，高温下易实现；()过饱和空位有利于攀移，经淬火或冷加工的属加热时，位错的攀移起重要作用；()作用于半原子面的压应力能促进正攀移，拉应力能促进负攀移，切应力不起作用。第四节位错的应力场与应变能一、位错的应力场位错周围的原子，偏离了平衡位置而处于弹性应变状态，引起能量升高并产生内应力。若把这些原子所受的应力合起来，便形成一个以位错线为中心的应力场。应力场分析模型都采用弹性连续介质模型，即：假设晶体是完全弹性体，服从虎克定律(σ=ε，τ=γ)；假设晶体是各向同性的，、ν不随方向而变；近似认为晶体内部由连续介质组成，应力、应变、位移等是连续的。该模型未考虑到位错线附近的严重点阵畸变区的情况，导出的结果不能应用于中心区。在中心区以外适用，已为实验证实。、螺型位错的应力场分析模型：厚壁圆筒，内径，外径，沿径向平面切开一半，使两个切面沿方向相对位移，再粘合起来。位错线：圆筒的中心轴线；位错中心区：圆筒的空心部分。圆筒实心部分的应力分布就反映了螺位错周围的应力分布。圆柱体产生的切应变为，相应的切应力为—切变模量，—柏氏矢量的模由于圆柱体只在方向产生位移，在和方向没有位移，其余应力分量均为零，即螺位错周围应力场的特点若采用直角坐标系，则应力分量为：由此可见螺位错的应力场的特点是：）没有正应力分量；）切应力径向对称分布，只与有关，与θ无关。在同一半径上，无论θ角的大小如何，切应力都相等；距位错中心越远，切应力越小。趋于零时，τθ趋于无穷大，显然与实际不符，∴=~()、刃型位错的应力场分析模型：厚壁圆筒，沿径向平面切开一半，让切面两边沿径向相对滑移，再粘合起来。位错线：圆筒的中心轴线；滑移面：切面；多余半原子面：面。应用弹性力学理论可求得刃型位错周围的应力分布，在圆柱坐标及直角坐标系中的应力分量分别为:（不适用于中心区）式中—切变模量，ν—泊松比，—柏氏矢量的模。刃型位错应力场的特点）同时存在正应力分量和切应力分量；）应力场中任意一点位置；）时(滑移面以上区域)，(压应力)；时(滑移面以下区域)，(拉应力)；=时(即在滑移面上)，，即滑移面上没有正应力，只有切应力，且为最大值。）各应力分量值与值无关，即：与刃位错线平行的直线上各点应力状态相同。越大，即离位错中心越远，各分量值越小。应力场分布见图：该公式也不能用于位错中心区。二、位错的应变能位错的应变能：晶体中因位错周围弹性应力场的存在而导致的能量增量。也称为位错的能量。=：位错中心的应变能，，通常予以忽略。：位错弹性应力场引起的弹性应变能，代表位错的应变能。根据弹性理论，圆柱坐标系中，单位体积内的应变能为螺位错：只有切应力和切应变，由上式可得而，式中——位错线长度∴设位错中心区半径为，位错应力场作用半径为，则单位长度螺位错的弹性应变能为刃位错：单位长度刃位错的弹性应变能的计算比较复杂，其结果为：当相同时，一般属材料的泊松比ν=～，取ν≈，则≈。即刃位错的应变能约为螺位错的倍。混合位错：混合位错线与其柏氏矢量成φ角，可分解为刃型分量和螺型分量，则其应变能为式中，其值约为～。小结：单位长度位错的能量与其柏氏矢量的模的平方成正比，即：=α，α是与位错类型有关的系数，约为～。故柏氏矢量越小的位错，其能量越低，在晶体中越稳定。一般，≈≈，=，若取=，则≈。三、位错的线张力长度为的位错，其应变能为=，∝。若位错线弯曲，能量将增高。为了降低能量，位错线有由曲变直，由长变短的自发倾向，它是位错的一种弹性性质，相似于液体的表面张力，称为位错的线张力，以单位长度位错线的能量表示。曲线位错线张力计算公式：—曲线形状参数，直线位错=；—位错类型参数，螺位错=，刃位错=(ν)；直螺位错直刃位错α可近似取为，则。

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【摘要】：晶体相场方法是一种既可以描述纳米尺度的原子点阵结构,又可以描述10-12～10-6s量级时间尺度的原子以及缺陷运动特征的数值模拟方法,利用其模拟纳观材料结构演化是非常适用的。这种方法已应用到位错的运动和分解、外延生长、晶界的变形和预熔等研宄中,具有深刻的物理含义。因此本文采用该方法,模拟单模近似下二维六角双晶体系的刃型位错在剪切应变作用下的滑移和攀移运动,并研究了应变率和温度参数对刃型位错运动的影响。本文取得的主要的研究成果如下：1.将标准的PFC模型的自由能函数进行改进,引入剪切外力场与体系原子密度函数耦合的周期作用项,得到包含剪切应变作用的自由能函数。2.对不同温度参数下单相双晶单位错对体系施加不同应变率的外部剪切应力,研究发现,刃型位错向液相区沿柏氏矢量方向做速度越来越快跳跃式的滑移运动,且其跳跃式滑移运动随外加应变的应变率和温度参数的增加而逐渐加快。如果剪切应力的施加方向改变,刃型位错滑移的方向也会随之改变,外加剪切应变的方向决定其运动方向。3.对同一温度参数下单相双晶双位错对单晶界体系施加不同应变率的外部剪切应力,通过详细计算在不同的剪切应变下体系的自由能和位错位置,发现两刃型位错只沿柏氏矢量方向做速度越来越快的跳跃式滑移运动,运动方向相同,具体方向与外加应变方向有关；滑移速度随外加应变的应变率的增加而加快。而对同一温度参数下单相双晶双位错对双晶界系施加不同应变率的外部剪切应力,发现两位错沿柏氏矢量方向做方向互相相反的跳跃式滑移运动,其运动方向与外加应变方向有关；当两位错逐渐靠近时,其运动速度逐渐减小,当两位错逐渐远离时,其运动速度逐渐增大。4.对同一温度参数下双相双晶单位错对体系施加不同应变率的外部剪切应力,位错不仅沿柏氏矢量方向做滑移运动,还出沿垂直于柏氏矢量方向做攀移运动。系统在较大应变率的剪切应变作用下,位错做速度先逐渐增加然后保持不变的跳跃式滑移运动。当减少对系统施加剪切应变的应变率时,位错的运动形式发生改变,位错将同时发生跳跃式的滑移和攀移运动。当继续减少对系统施加剪切应变的应变率时,位错在模拟的时间范围内保持静止状态。随着对系统施加剪切应变的应变率的减小,位错运动的速度减慢。5.采用二维位错动力学对双相双晶单位错对体系在外加剪切应变的作用下位错滑移进行计算,并与PFC方法的研究结果进行对比,发现它们的结果非常吻合,这不但能够验证PFC方法的正确性,还能体现PFC方法已经很好的考虑原子周期性排列这个优势。本文合理的模拟了不同体系在剪切应变的作用下刃型位错的运动,形象地展示了位错运动和体系形态演化的全过程,为实际材料的生产和加工提供有价值的参考。


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