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材料專業(yè)知識分享 | 讀懂位錯的柏氏矢量及位錯運(yùn)動

2023年09月05日 仁成精密鋼管廠1333???3??? 鋼鐵知識 百度已收錄 № 31452

位錯的柏氏矢量


柏氏矢量：晶體中有位錯存在時，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對位移或畸變。性質(zhì)：大小表征了位錯的單位滑移距離，方向與滑移方向一致，是一個反映位錯周圍點(diǎn)畸變總累積的物理量。

01


柏氏回路及柏氏矢量


柏氏矢量是位錯的單位滑移距離，由柏氏回路決定的。
柏氏回路：從理想晶體某一點(diǎn)出發(fā)，按基本平移矢量方向走，最后又回到原出發(fā)點(diǎn)，這種回路叫柏氏回路。若回路中無位錯，則首尾相連，否則首尾不相連。

02


柏氏矢量（Burgers vector）的確定：


（1）首先選定位錯線的正向（ξ），例如，常規(guī)定出紙面的方向為位錯線的正方向。
（2）在理想晶體中，從任一原子出發(fā)，以一定的方向和步數(shù)作一右旋回路，此回路閉合。
（3）在實際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯（避開位錯線附近的嚴(yán)重畸變區(qū)）以同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉，由終點(diǎn)向起點(diǎn)引一矢量b，使該回路閉合，這個矢量b就是實際晶體中位錯的柏氏矢量。
注意：刃型位錯滑移面為ξ與柏氏矢量所構(gòu)成的平面，只有一個；螺型位錯滑移面不定，多個。
用柏氏矢量判斷位錯類型：
（1）刃型位錯ξ⊥b
右手法則：食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向（位錯線運(yùn)動的方向），拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負(fù)。
（2）螺型位錯ξ∥b
柏氏矢量與位錯線的方向：正向（方向相同）為右螺旋位錯，負(fù)向（方向相反）為左螺旋位錯。

03


柏氏矢量的特征：


（1）柏氏矢量是一個反映周圍點(diǎn)陣畸變總的物理量，柏氏矢量的方向表示位錯的性質(zhì)與位錯的取向，即位錯運(yùn)動導(dǎo)致晶體滑移的方向，柏氏矢量的模表示了畸變的程度，稱為位錯的強(qiáng)度。
（2）柏氏矢量與回路起點(diǎn)以及具體的途徑無關(guān)，回路確定的柏氏矢量是唯一的，柏氏矢量具有守恒性。
（3）一根不分叉的位錯線，不論其形狀如何改變，也不管位錯線上的各處的位錯類型是否相同，其各部分的柏氏矢量都相同，當(dāng)位錯在晶體中運(yùn)動或改變方向時，其柏氏矢量不變，即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。
（4）若一個柏氏矢量為b1的位錯可以分解為柏氏矢量分別為b1，b2，b3。。。的n個位錯，則分解后的各個位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量，即

若有數(shù)根位錯的柏氏矢量交于一點(diǎn)（位錯節(jié)點(diǎn)），指向節(jié)點(diǎn)的各個位錯線的柏氏矢量的和，等于離開節(jié)點(diǎn)各個位錯的柏氏矢量之和。
（5）位錯在晶體中存在的形態(tài)可形成一個閉合的位錯環(huán)，或連接于其他的位錯，或終止在晶界或露頭于晶體表面，但不能中斷于晶體內(nèi)部。

04


柏氏矢量的表示法


柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶軸上的分量，即點(diǎn)陣矢量a，b和c來表示。例如柏氏矢量等于從體心立方晶系的原點(diǎn)到體心的矢量：
可以寫成
一般立方晶系的柏氏矢量可以表示為
其中n為正整數(shù)。
柏氏矢量滿足矢量加法，位錯反應(yīng)中需要滿足幾何條件和能量條件：
b2.png
特別重要的考點(diǎn)，請大家掌握。

位錯的運(yùn)動


晶體宏觀的塑性變形是通過位錯運(yùn)動來實現(xiàn)的。
原因：位錯運(yùn)動是因它沿受力方向改變位置會使系統(tǒng)自由能減少，位錯實現(xiàn)運(yùn)動要求它所受的力足以克服運(yùn)動阻力。
類型：兩種---保守運(yùn)動和非保守運(yùn)動。
保守運(yùn)動是位錯在滑移面上的滑動或滑移，滑動和滑移通常是同義的。但嚴(yán)格地說，“滑動”指單個位錯的行為而“滑移”指多個位錯的行為。
非保守運(yùn)動是離開滑移面的運(yùn)動，最本質(zhì)的非保守運(yùn)動是位錯的攀移，只有刃位錯才有攀移運(yùn)動，并引起位錯的半原子面擴(kuò)大和縮小，因此攀移總是伴隨著點(diǎn)缺陷的輸運(yùn)。

01


位錯的滑移


包括：刃型位錯和螺型位錯的滑移。
可滑移面：位錯線與柏氏矢量構(gòu)成的晶面稱為位錯的滑移面；
位錯的易滑移面：晶體的滑移面通常為晶體中原子的原子密排面，在密排面上，位錯的滑移容易進(jìn)行（由于在密排面上原子間距最小，滑移的阻力最小），所以晶體的滑移面又叫位錯的易滑移面。
晶體的位錯線并不一定剛好在晶體的滑移面上。
位錯沿滑移面的運(yùn)動稱為滑移運(yùn)動，如圖1所示。位錯的滑移是在切應(yīng)力的作用下進(jìn)行的，只有當(dāng)滑移面上的切應(yīng)力分量達(dá)到一定值后位錯才能滑移。
當(dāng)位錯掃過整個滑移面時，即位錯線運(yùn)動移出晶體表面時，滑移面兩邊的晶體將產(chǎn)生一個柏氏矢量寬度（|b|）的位移。
圖1 刃型位錯的運(yùn)動.png
圖1 刃型位錯的運(yùn)動
（1）位錯滑移的機(jī)理
位錯在滑移時是通過位錯線或位錯附近的原子逐個移動很小的距離完成的。
位錯滑移的機(jī)理.png
（2）位錯的滑移特點(diǎn)
①刃位錯滑移方向與外力t及柏氏矢量b平行，正、負(fù)刃位錯滑移方向相反。
②螺位錯滑移方向與外力t及柏氏矢量b垂直，左、右螺型位錯滑移方向相反。
③混合位錯滑移方向與外力t及柏氏矢量b成一定角度（即沿位錯線法線方向滑移）。
④晶體的滑移方向與外力t及位錯的柏氏矢量b相一致，但并不一定與位錯的滑移方向相同。

02


位錯的攀移



位錯的攀移指在熱缺陷或外力作用下，位錯線在垂直其滑移面方向上的運(yùn)動，結(jié)果導(dǎo)致晶體中空位或間隙質(zhì)點(diǎn)的增殖或減少。刃位錯除了滑移外，還可進(jìn)行攀移運(yùn)動。
攀移的實質(zhì)是多余半原子面的伸長或縮短。螺位錯沒有多余半原子面，故無攀移運(yùn)動。



刃位錯攀移示意圖.png
刃位錯攀移示意圖
位錯的攀移靠原子或空位的轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。
正攀移：多余半個原子面向上運(yùn)動。（原子從多余半原子面下端轉(zhuǎn)移到別處或空位從別處轉(zhuǎn)移到半原子面下端）
負(fù)攀移：多余半原子面向下運(yùn)動。
攀移矢量大小等于滑移面的面間距。
位錯的攀移力（使位錯發(fā)生攀移運(yùn)動的力）包括：
（1）化學(xué)攀移力Fs，是指不平衡空位濃度施加給位錯攀移的驅(qū)動力。
（2）彈性攀移力Fc，是指作用于半原子面上的應(yīng)力分量作用下，刃位錯所受的力。
位錯攀移的激活能Uc由割階形成的激活能Uj及空位的擴(kuò)散活化能Ud兩部分所組成。
常溫下位錯靠熱激活來攀移是很困難的。但是，在許多高溫過程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀移卻起著重要作用。位錯攀移在低溫下是難以進(jìn)行的，對于大多數(shù)材料而言，只有在較高溫度下才容易發(fā)生。
對于螺型位錯，當(dāng)某一螺型位錯在原滑移面上運(yùn)動受阻時，有可能從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上去繼續(xù)滑移，這一過程稱為交滑移。
如果交滑移后的位錯再轉(zhuǎn)回和原滑移面平行的滑移面上繼續(xù)運(yùn)動，則稱為雙交滑移。

03


運(yùn)動位錯的交割



當(dāng)位錯在滑移面上運(yùn)動時，會與穿過滑移面的其他位錯發(fā)生交割。
分類：割階、扭折
割階：如形成的曲折線段垂直位錯的滑移面上；
扭折：如形成的曲折線段在位錯的滑移面上。

來源：材子考研

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