位錯的應(yīng)力場和應(yīng)變力

位錯在晶體中的存在，使其周圍原子偏離平衡位置，而導(dǎo)致點陣畸變和彈性應(yīng)力場的產(chǎn)生。

要進一步了解位錯的性質(zhì)，就須討論位錯的彈性應(yīng)力場，由此可推算出位錯所具有的能量、位錯的作用力、位錯與晶體其他缺陷間交互作用等問題。

位錯的應(yīng)力場

位錯周圍的彈性應(yīng)力場彈性體假設(shè)模型：

⑴晶體是完全彈性體；

⑵晶體是各向同性的；

⑶晶體中沒有空隙，由連續(xù)介質(zhì)組成。

01

刃型位錯的應(yīng)力場

建立如圖1所示的刃型位錯力學(xué)模型。該模型中圓筒的軸線對應(yīng)刃位錯的位錯線，圓筒的空心部分相當(dāng)于位錯的中心區(qū)。

圖1 刃型位錯應(yīng)力場

下面給出刃位錯的應(yīng)力場公式：

由上面所得結(jié)論可以看出：

σx與σy的符號相反。在滑移面上方，y>0，

σx為負(fù)（壓應(yīng)力）；在滑移面下方，y<0，

σx為正（拉應(yīng)力）。

②在y＝0處有

02

螺型位錯的應(yīng)力場

建立如圖2所示的螺型位錯力學(xué)模型。從該模型可知，形成螺位錯時只有軸向位移，沒有徑向和切向位移。

圖2 螺型位錯應(yīng)力場

由上面的結(jié)果可知，螺位錯的應(yīng)力場沒有正應(yīng)力分量，且剪應(yīng)力對稱分布，在包含位錯線的任何晶向平面上剪應(yīng)力都是Gb/2πr，與θ角無關(guān)。螺位錯不引起晶體的膨脹或收縮。

所以，無論是刃型位錯還是螺型位錯，作用在滑移面上的沿滑移方向的剪應(yīng)力都可以寫成是：

位錯的應(yīng)變力

位錯周圍點陣畸變引起彈性應(yīng)力場導(dǎo)致晶體能量的增加，這部分能量即為位錯的應(yīng)變能。包括兩部分：Wtot=Wcore+Wel。

（1）位錯核心能Wcore：在位錯核心幾個原子間距ro=2|b|=2b以內(nèi)的區(qū)域，滑移面兩側(cè)原子間的錯排能即相當(dāng)于位錯核心能。錯排能約占位錯能的1/10，可忽略。

（2）彈性應(yīng)變能Wel：在位錯核心區(qū)以外，長程應(yīng)力場作用范圍所具有的能量，約占位錯能的9/10。

由于位錯在運動或與其他缺陷交互作用時，只有彈性能發(fā)生變化，因此，我們只關(guān)心各類型位錯的彈性能。

刃型位錯的彈性能

下面使用做功法計算刃型位錯的彈性能。

首先構(gòu)造一個刃位錯的圓筒模型，如圖3所示。

圖3 刃型位錯的圓筒模型

假設(shè)在形成刃位錯過程中的某一時刻滑移面兩邊的相互位移為b′，0 < b′ < b。此時滑移面上x處產(chǎn)生的剪應(yīng)力為：τxy=τob′/x

此后，使滑移面兩邊的晶體相對位移由b′增至b′+db′，則此過程中外力反抗τxy

做功為：

對上式積分可得形成伯氏矢量為b的刃型位錯過程中外力所做的總功，也既是位錯的彈性能為：

螺型位錯的彈性能

采用與上面完全相同的做功法可以得到螺型位錯的彈性能：

混合位錯的彈性能

混合位錯的彈性能應(yīng)該等于其螺型分量的彈性能和刃型分量的彈性能之和。因此，對混合位錯做相應(yīng)分解，可以計算出混合位錯的彈性能為：

總之：

（1）位錯的彈性應(yīng)變能Wel ∝ lnR，即隨R緩慢地增加，所以位錯具有長程應(yīng)力場。

（2）位錯的能量是以單位長度的能量來定義的，直線位錯更穩(wěn)定，位錯線有盡量變直和縮短其長度的趨勢。

（3）位錯的應(yīng)變能與b2成正比。位錯的彈性應(yīng)變能可進一步簡化為一個簡單的函數(shù)式：W=aGb2。

式中W為單位長度位錯線的彈性應(yīng)變能，G是剪切模量，b是伯氏矢量，α=1/4πl(wèi)nR/r0 其中R是晶體的外徑、r0是位錯核心的半徑，系數(shù)a由位錯的類型、密度（R值）決定，其值的范圍為0.5-1.0。

意義：上式表明W ∝ b2，故可用伯氏矢量的大小來判斷晶體哪些地方最容易形成位錯。

審核編輯：劉清