第3节 位错(6)
5.3.4 位错的来源和位错的增殖
1. 位错的来源
螺型位错会在晶体表面露头处造成一个永不消失的台阶,可以充当晶体的生长前沿,因此,结晶核心中如有位错,它的长大速度要比完整晶体快。
根据理论上的计算,由于位错的能量很大,除非晶体受到的应力接近理论切应变强度,位错不是能靠热激活产生的。因此,位错不会在晶体中均匀形核,它只能在一些具备了条件的特殊地方产生。
过饱和的空位可以凝聚成空位片,空位片崩塌时便转化成位错环,这是产生位错的一个重要途径。在高温时空位浓度可达1018/cm3个以上,而室温的平衡浓度很小。如果空位全部聚成半径为10-5cm圆片,它们崩塌后将形成1012/cm3个位错环,相当于位错密度6×107cm/cm3。实际上不会全部空位都转变成位错环,因为表面、晶粒间界和已有的位错也起着空位消亡的作用,空位的一部分不免要流入这些地方。
结晶时若杂质分凝或成分偏析显著,最后凝固的晶体成分不同于先前凝固的晶体,从而点阵常数也要有所不同。作为点阵常数逐渐变化的结果,在过渡区可能形成一系列刃型位错。同样,从表面向晶中扩散的另一种元素时,也会因为与原子大小不同相关的内应力形成位错。晶体中的沉淀物或夹杂物若在周围基体中产生较大的应力(例如相变应力或因膨胀系数不同在温度变化时产生的热应力),也会导致产生位错。
结晶过程中正在生长的两部分晶体相遇,如果它们的位向有轻微差别,在结合处将形成位错。如两块相对有倾转角的晶体,在长大到相互接触时,在它们中间形成一列刃型位错。以这种方式产生位错的典型例子是熔体中的树枝状结晶,如果因机械运动、温度梯度或成分偏析引起的应力,使枝晶发生转动或弯曲,便会通过上述机制在晶体中形成位错和位错网。类似的情况也发生于以外延法在衬底上沉积多晶薄膜的过程中,倘若最初的外延结晶核心在衬底上位置不正,它们长大相遇就会形成位错。
当晶体受到力的作用,局部地区会产生应力集中,如在裂缝尖端、夹杂物界面、表面损伤附近等,倘若应力集中程度达到理论切变强度水平,便有可能在这里直接产生位错。
2. 位错的增殖
塑性变形最常见的方式是滑移,当一个位错扫过滑移面,只有表面留下高度为b的滑移台阶,大量塑性变形时需要很多位错扫过,所以随塑性变形的进行,位错数目应不断减少,但这与事实不符。实验证明,充分退火的金属位错密度为106cm-2左右,剧烈冷变形的金属1011~1012cm-2,这表明位错增殖了。增殖机制有很多中,最常见的是弗兰克-瑞德源(Frank-Read Source),如图5-25。
退火状态位错以三维网路状存在于晶体中,有一两端钉扎的刃型位错线段AB,在外加切应力 作用下,位错线AB受力 ,方向垂直于位错线,使之克服位错线张力,产生弯曲,如图5-25 (a)(b),由公式 可见外加切应力的大小和位错线曲率成反比, 越小阻力越大,当位错线弯曲成半圆时,曲率最小,切应力最大,如图5-25 (b)。故位错增殖的临界切应力为 , 为位错线段AB的长度。由于位错线上各点线速度相同,在位错线两个端点附近要保证相同的线速度,必须增加角速度,使位错线形成卷曲状,如图5-25 (c)。当位错线弯曲成图5-25 (d)时,在两枝相遇处为两平行的异型螺型位错因它们互相吸引对消,形成一闭合的位错环和一段AB位错线,如图5-25(e)所示,在外应力和张应力的联合作用力下(这时它们方向相同),位错线变直。这样的过程可以反复进行下去,源源不断地产生新的位错环。位错增殖机制很多,如双交滑移增殖机制,攀移机制等,这里就不再赘述。
(本节完)
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