完整晶體

專業術語

完整晶體,專業術語,作名詞,指不存在點缺陷,線缺陷和面缺陷等類型晶體缺陷的晶體。由於在結晶時不可能排除造成晶體缺陷的因素,因而在現實中,完整晶體並不存在。但這一假象概念對於熱力學定律的表述非常重要。

完整晶體的塑性變形方式


滑移

在外力作用下,晶體的一部分相對於另一部分,沿著一定晶面的一定晶向發生平移,使晶面上的原子從一個平衡位置平移到另一個平行位置,如圖1所示,這個過程叫滑移
圖1
圖1
在滑移過程中,晶體的位向不發生變化。滑移與未滑移的部分保持位向一致。每次滑移的量,都是晶體在滑移方向上原子間距的整數倍。
每進行一次滑移,都在晶體表面形成一個小台階。圖2是一個單晶體試棒經過拉伸變形后的變化。經過拉伸后,試棒除了變細變長之外,在它的表面上,出現了很多與拉伸方向成45°角的條紋。把它放大可以觀察到,每一個這樣的條紋,實際上是由一組平行的小條紋組成的。每個小條紋是一個小台階,叫滑移線。每一組這樣的小條紋,叫一個滑移帶。應當指出,不是在任何晶面和品向上都可以發生滑移的。發生滑移的晶面,是晶體的最密排晶面,叫滑移面;晶體滑移的方向,是晶體滑移面上的最密排晶向,叫滑移方向。滑移所以在最密排的晶面與晶向上進行,是因為一定晶體中,越是密排的晶面,面間距越大,晶面間原子結合力越小,越是密排的晶向,滑移的矢量也越小,滑移就越容易進行。有的晶體,如體心立方晶體除在密排面{110}上進行滑移以外,所有與<111>軸平行的晶面,如{112}晶面等,都可以成為滑移面。一個確定的滑移面和這個滑移面上的一個確定的滑移方向,構成一個滑移系,以(hkl)[uvw]表示。顯然,一個滑移系確定之後,滑移的方位便確定了。
圖2
圖2
一個晶體的滑移係數目,是它的有效密排面數與每個面上的密排晶向數目的乘積。
當一定外力作用於晶體時,不是晶體中所有滑移系都能開動起來的。只有當外力在某個(或某幾個)滑移系的分切應力τ達到一定數值τ后,這些滑移系才能開動。足以開動晶體滑移的最小分切應力τ,就是晶體的臨界分切應力。
圖3
圖3
對一定外力,晶體中究竟哪個滑移系的分切應力可以達到臨界分切應力,決定於滑移面,滑移方向相對於外力的取向。
在圖3中,設外力作用於截面積為S的試棒上,與某個滑移面的法向,n成φ角,與這個晶面上某個滑移方向ρ成λ角。則滑移面的面積為:S=S/cosφ
外力在滑移方向上的分力為:Fp=Fcosλ
在滑移方向上的分切應力為:τ=Fcosλcosφ/S
其中F/S=σ為試棒截面上的正應力。上式即為:τ=σcosλ*cosφ
式中cosλ*cosφ叫滑移系對外力的取向因子。一定外力在某個滑移繫上引起的分切應力的大小,取決於這個滑移系對外力的取向因子的數值。在圖3的示例中,當滑移面上的法向n與力軸F以及滑移方向戶在同一乎面上,並且φ=45°時,取向因子達到最大值:
cosλ*cosφ=1/2
在這種情況下,一定外力在該滑移系的分切應力最大,該滑移系取向最有利,也最容易開動。這樣的取向或者接近於這樣的取向,叫軟取向。當滑移面垂直於力軸F,即n∥F,λ=90°時,或者n⊥F,λ=90°時,取向因子有最小值:
cosλ*cosφ=0
在這種情況下,外力在滑移繫上引起的分切應力為零,滑移系無法開動,這樣的取向,或取向因子雖不為零但數值較小的取向,都叫硬去向。
滑移系對外力取向的軟硬是相對而言的。一般說來,外力在某個滑移繫上的分切應力大於或等於臨界分切應力,滑移系便可以開動起來,這樣的取向就算做軟取向;反之,就算做硬取向。
因此,外力在滑移繫上引起拘分切應力,是由外加應力大小和滑移系取向因子大小決定的。而晶體的臨界分切應力τ反映在宏觀上就是使晶體開始變形的的最低切應力值,或晶體的切變強度值。

孿生

晶體塑性變形的另一種方式,就是在外力作用下,晶體的一部分相對於另一部分,沿著一定的晶面和一定的晶向發生切變。切變之後,兩部分晶體的位向以切變面為鏡面,呈對稱關係。這種變形方式叫孿生。發生切變的部分和與之呈鏡面對稱的部分構成孿晶。發生切變的晶面,叫孿生面。孿晶的兩部分晶體共格,因此孿生的界面又叫孿晶共格面。切變的方向,叫孿生方向。和晶體的滑移一樣,一定晶體中的孿生面與孿生方向也是一定的,孿生和滑移的不同之處是,晶體在孿生過程中發生位向變化,切變數也不一定是孿生晶向上原子間距的整數倍。各層孿生面切變數,與至孿生共格面的距離成正比。
通過分析面心立方晶體的孿生過程,可以說明孿生的幾何特點。圖4表示面心立方晶體的(111)晶面沿[112¬]晶向發生孿生的情況。圖(b)是與孿生面(111)垂直的(11¬0)晶面上的原子排列情況。在此圖中,每個[112¬]晶向也代表一層(110))晶面。由圖可以看出,面心立方晶體A層A層(111)晶面之間的晶體沿著(111)晶面、[112¬]晶向發生了切變。其中A層(111)晶面上的原子,都向[112¬]移動一個原子距離,從一個平衡位置平移到了另一個平衡位置。A層以右的各層晶面,跟隨A2層(111)晶面發生同樣的移動,各層之間沒有相對位移。A層與A層之間各層晶面上的原子在[112¬]方向移動的距離,和它與A層(111)晶面的距離成正比,B層移動1/3個原子間距,O層移動2/3個原子間距,但是,各層孿生面產生的切應變是相同的。A和A層之間的這部分晶體;就是孿晶。它和兩邊的晶體分別以A層(111)和A層(111)晶面為鏡面,呈對稱的位向關係
圖4
圖4
晶體發生孿生也象發生滑移一樣,需要一定的外力使孿生方向上的分切應力達到一定數值。對一定晶體,也有一定的臨界分切應力,不過孿生的臨界分切應力很不容易測定準確。對一些晶體所測得的孿生臨界分切應力,數值很不一致。大量現象表明,使晶體發生孿生比使之發生滑移的臨界分切應力高得多。因此,滑移系較多的晶體如面心立方晶體中,容易發生滑移而不易發生孿生;只有在滑移受阻的卞況下,才發生孿生。滑移系很少的密排六方晶體中,也容易發生孿生。
靠孿生造成的晶體變形量很小,它最多能提供7~10%的變形量,晶體的變形量大部分是靠滑移提供的。但是,在晶體變形時,孿生往往又是滑移的補充,在滑移系取向變硬,滑移不能進行的情況下,往往通過孿生改變滑移系的取向,使滑移繼續進行下去。晶體中的變形,往往是由滑移和孿生兩種方式交替進行的。

完整晶體的理論切變強度


晶體變形的理論,揭示了晶體強度的實質。晶體的塑性與強度,是反映晶體發生滑移或孿生難易程度的兩個相反的指標。就完整晶體而言,晶體的塑性基本決定於晶體滑移系的多少。晶體的滑移系越多,對一定外力處於有利取向的幾率越多,越容易發生滑移,而且可以使更多的滑移系開動滑移,變形量均勻,晶體的塑性就高。而晶體的強度,則是沿移阻力的標誌。完整晶體的切變強度,就是臨界分切應力,它決定於晶體滑移面上、下兩層原子間的結合力。按照完整晶體滑移模型,使晶體滑移所需的臨界切應力,也應該是使整個滑移面的原子從一個平衡位置移到另一個平衡位置,克服能壘所需的切應力。
根據這個道理,我們把滑移面的相對滑移簡化為圖5所表示的兩列原子間的滑移,在未發生滑移時,每個原子都應處於能勢最低的地方。假設A1A2A3…一列原子在外切應力τ作用下,相對於B1B2B3…一列原子,從一個平衡位置平移到另一個平衡位置。
圖5
圖5
這兩列原子間的結合能勢,隨著同列原子的位置中的變化,可簡化表示為正弦函數:U=-A*cos2πx/λ (1)
式中A是振幅,λ是振動周期,也是同列原子平衡位置的距離(或原子間距)。使兩列原子滑移的臨界切應力即是兩原子間的結台F(x)。F(x)應是結合能勢U(x)對x的導數:F(x)=-dU(x)/dx=A*sin2πx/λ (2)
在這裡,A是兩列原子間結合力F(x)的最大值Fm。
圖5(b)與(c),分別繪出(1)、(2)兩式所表示的U(x)與F(x)隨x變化的曲線。
因為兩列原子間滑移面面積(S)一定,所以(1)式兩邊除以此面積等式仍成立。F(x)/S=τ即是滑移面上的分切應力,A/S=τ即是此分切應力的極限。則:τ(x)=τsin2πx/λ (3)
當x很小時,sin2πx/λ≈2πx/λ,因此(3)式可簡化為:τ=τ2πx/λ (4)
又當x很小時,兩列原子間發生彈性變形,其應變為ε=x/a,a為兩列間原子間距。根據虎克定律
τ=Gs=Gx/a (5)
將(5)式代入(4)式,即有:τ=Gλ/2aπ
設晶體力簡單立方點陣,則λ=a,上式可簡化:τ=G/2π
由上式可見,完整晶體的切變抗力即理淪切變強度,與晶體的切變換量G至多相差一個數量級。