晶体位错观察
晶体缺陷-位错的基本类型与特征
混合位错
总结词
混合位错是一种同时具有刃型和螺旋型 特征的晶体缺陷，其特征是晶体中某处 的原子既发生了平移又发生了螺旋式的 位移。
VS
详细描述
混合位错是刃型位错和螺旋位错的组合体 ，其原子位移同时包含了平移和螺旋式的 位移。混合位错通常出现在晶体的复杂区 域，如晶界、相界等。由于混合位错同时 具有刃型和螺旋型位错的特征，其对晶体 的性能影响也较为复杂，需要进行深入研 究。
滑移与攀移
在切应力作用下，位错能够沿滑移面整列移动，称为滑移； 而垂直于滑移面方向的移动称为攀移。这两种运动方式是 位错在塑性变形中的重要表现。
应变梯度与几何必须位错
当材料的局部区域发生不均匀变形时，会产生应变梯度， 进而促使位错的形成和运动，以协调这种不均匀变形。
位错与材料疲劳断裂
01
疲劳裂纹的萌生与扩展
强化机制
加工硬化
在塑性变形过程中，位错的运动和交 互作用导致材料逐渐变硬，即加工硬 化。这是金属材料常用的强化手段。
通过引入位错，可以增加材料的内应 力，从而提高其屈服强度。这种强化 机制称为位错强化。
位错与材料塑性变形
塑性变形机制
位错在受力时能够运动，从而改变材料的形状。这种运动 机制是金属等材料发生塑性变形的内在原因。
在循环载荷作用下，位错容易在材料的应力集中区域（如晶界、相界或
表面）聚集，形成位错塞积群，进而导致疲劳裂纹的萌生。裂纹的扩展
通常沿特定晶体学平面进行。
02
影响疲劳性能的因素
位错的运动和交互作用对疲劳裂纹的萌生和扩展具有重要影响，进而影
响材料的疲劳性能。例如，材料的抗疲劳性能可以通过引入阻碍位错运
动的合金元素来改善。
晶体缺陷的分类
实际晶体结构中的位错
表4.1 典型晶体结构中单位位错的柏氏矢量
4.3 位错反应(Dislocation Reaction)
位错反应就是位错的合并(Merging)与分 解(Dissociation)，即晶体中不同柏氏矢量的 位错线合并为一条位错线或一条位错线分解成 两条或多条柏氏矢量不同的位错线。 位错使晶体点阵发生畸变，柏氏矢量是反 映位错周围点阵畸变总和的参数。因此，位错 的合并实际上是晶体中同一区域两个或多个畸 变的叠加，位错的分解是晶体内某一区域具有 一个较集中的畸变，松弛为两个或多个畸变。
4.4.2 不全位错(Partial Dislocation)
若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子 面上而只是部分区域存在，那么，在层错与 完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点 阵矢量的不全位错。在面心立方晶体中有两 种重要的不全位错：肖克莱（Shockley）不 全位错和弗兰克（Frank）不全位错。 图4.4为肖克莱不全位错的刃型结构。
4.2 实际晶体中位错的柏氏矢量
实际晶体结构中，位错的柏氏矢量不能是任 意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。晶 体的结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平 衡位置到另一平衡位置。从能量条件看，由于位 错能量正比于b2，b越小越稳定，即单位位错是 最稳定的位错。 柏氏矢量b的大小和方向用b=C[uvw]表示， 其中：C为常数，[uvw]为柏氏矢量的方向，柏氏 矢量的大小为： C u 2 v 2 w2 。表4.1给出典型晶 体结构中，单位位错的柏氏矢量及其大小和方向。
下半图是把上半图中A层
与C层在（111）面上作投 影。分层使用了不同的符 号，□代表A层，原子呈 密排，▲代表紧接A层之 下的C层，也是密排的。 让A层的右半部滑移至B层 原子的位置，其上部的各 层也跟着移动，但滑移只 限于一部分原子，即右半 部原子。于是右半部的滑 移面上发生了层错，左半 部则没有移动，所以也没 有层错，在两者的交界处 发生了原子的严重错排， 图中滑移后的原子位置用 虚线连接。
位错的名词解释
位错的名词解释位错，是指晶体中原子排列发生偏移或者交换，形成错位的现象。
它是晶体结构中常见的缺陷之一，对材料的机械性能和导电性能等起到重要影响。
细致观察位错的性质及其影响，对于材料科学和工程领域具有重要意义。
一、位错的形成和分类1. 形成位错的原因位错的形成通常是由晶体生长过程中的应力、温度变化以及机械变形等因素所引起。
例如，在晶体生长过程中，由于生长速度的不均匀或晶体材料的不完美，就会出现位错。
同样地，在材料的机械变形过程中，如弯曲、拉伸或压缩等，也会导致晶体中位错的产生。
2. 位错的分类根据原子重新排列的方式和排列结构的不同，位错可以分为线性位错、平面位错和体位错。
线性位错是指位错线与晶体的某一晶面交线的直线排列，具有一维特征。
最常见的线性位错有位错线、螺旋位错和阶梯位错等。
平面位错是指位错线与晶体的某一晶面交线上有无限个交点，呈现出平面性的特点。
常见的平面位错有位错环、晶界以及孪晶等。
体位错是指位错线在晶体内没有终点，具有三维特征。
体位错通常有位错蠕变和位错多晶等。
二、位错的性质与作用1. 位错的性质位错对晶体的特性和行为有着重要影响。
它能够改变晶体的原子排列方式，导致晶体局部微结构的变化。
位错可以促进晶体的固溶体形成以及离子扩散等过程。
此外，位错还会影响晶体的力学性能，如硬度、韧性和弹性等。
因此，位错常常被用来研究晶体的性质和行为。
2. 位错的作用位错在材料科学和工程领域具有广泛的应用价值。
首先，位错可以增加晶体的强度和韧性，提高材料的抗变形能力。
这在制备金属材料和合金中起到重要作用。
此外，位错也可以影响材料的导电性能，例如半导体中的位错可以改变电子迁移的路径和速率，从而影响整个电子器件的性能。
除此之外，位错还可以用于晶体的生长和材料的表面改性等过程。
三、位错的观察和表征方法1. 传统观察方法传统的位错观察方法包括透射电镜、扫描电镜和X射线衍射等技术。
透射电镜可以通过对物质的薄片进行观察，获得高分辨率的位错图像。
实验位错蚀坑的观察
本实验采用铬酸法。按以下配比配制CrO3 标准液：
(1)标准液:HF(42%)=2:1（慢蚀速）； (2)标准液:HF(42%)=3:2（中蚀速）； (3)标准液:HF(42%)=1:1（快蚀速）； (4)标准液:HF(42%)=1:2（快蚀速）
硅晶体在浸蚀过程中与浸蚀剂发生一种连续 不断的氧化—还原反应，
2、观察：样品在干燥后即可在金相显微镜下 观察。各个样品依次观察，画下蚀坑特征及 其分布图象；根据各样品观察面上具有不同 形状（如三角形、正方形、矩形等）特征的 位错蚀坑，判别观察面的面指数。
五、思考题
1、如何根据蚀坑的特征确定位错的性质及蚀 坑所在面的指数？
2、位错密度的计算有何使用价值？本实验采 用的计算方法有何局限性？
（1-1）PbMoO4 （001）面位错蚀坑
（1-2）PbMoO4垂直于 （001）面的位错蚀坑
ZnWO4晶体（010）晶面上的位错蚀坑
单晶硅（111）晶面上的位错蚀坑
位错密度的计算
位错是晶体中的线缺陷。单位体积晶体中所含位错线的总 长度称位错密度。若将位借线视为彼此平行的直线，它们从 晶体的一面均延至另一面，则位错密度便等于穿过单位截面 积的位错线头数。
(111)
a=b=g=60°
bg a
60°<a<90° b=g
bag
60°>a b=g
bg a
ab
a<b
a
b a=b
(100)
图1-2 立方晶体中位错蚀坑形状与晶体表面晶向的关系
用蚀坑观察位错有一定的局限性，它只能观察在表 面露头的位错，而晶体内部位错却无法显示；此外 浸蚀法只适合于位错密度很低的晶体（错密度小于 106cm-2的晶体），如果位错密度较高，蚀坑互相 重迭，就难以把它们彼此分开，所以此法一般只用 于高纯度金属或者化合物晶体的位错观察。
第七节 实际晶体中的位错
而铝的层错能很高，看不到层错。
2、不全位错
晶体的部分区域发生层 错时，堆垛层错与完整晶 体的边界就是位错。
此时，位错的柏氏矢量 不等于点阵矢量，所以是 不全位错。
根据层错的形成方式不 同,面心立方晶体中有两种 不全位错。
层错的边界为位错
肖克莱不全位错
代表8个a/3<111>型的滑移矢量，相当于可 能有8个弗兰克不全位错的柏氏矢量。
面的顶点与中点的12条连线：
代表24个a/6<112>型的滑移矢量，相当于可 能的24个肖克莱不全位错的柏氏矢量。
突然
汤普森四面体及汤普森记号 a）面心立方晶体中的四面体；b）汤普森四面体；c）汤普森四面体的展开
正四面体的表面，即4个可能的滑移面。
ADB、ADC、BDC、ABC
(a) (111)，（b）（111），（C） (111)，（d） (111)
正四面体的面中点：α、β、γ、δ。
把四面体以三角形ABC为底展开，则：
6个棱边：
代表12个a/2<110>晶向，即全位错12个可能 的柏氏矢量。
面中心与其对角顶点的4条连线：
第七节 实际晶体中的位错
实际晶体的位错组态： 具有简单立方晶体位错的共性； 还有一些特性。 原因：晶体结构不同。
一、常见金属晶体中的位错
1、全位错和 不全位错
简单立方晶体：柏氏矢量b等于点阵矢量。 实际晶体：位错的柏氏矢量即可等于点阵矢量，还可能 小于或大于点阵矢量。 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错。 全位错：柏氏矢量为单位点阵矢量或其倍数的位错。 单位位错是全位错的一种。 全位错滑移后：晶体原子排列不变。 不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量整数倍的位错。 部分位错：柏氏矢量小于单位点阵矢量的位错。 部分位错也属于不全位错。 不全位错滑移后：原子排列规律发生变化。
8-晶体中的位错ppt课件
示从XY矢量中点引向UV矢量中点并延伸
长度为这两点距离两倍的矢量。它相当
XY/UV=XU+YV
从这一定义可知：
XY＋YV=XV；XY+UV=XU/YV
XY/UVUV/XY
XY/UV=YX/UV=XY/VU=YX/VU。
21
按上述的定义，还引出几类有用的符号。
⑤由②所列的符号中的任两个符号组成的新符号，例如D/C，它
可能的柏氏矢量 <100>
<1123>/3 2
独立滑移系
每一点的应变可用六个分量表示，但塑性形变保持体积不变，
即11+22+33=0，故只有五个应变分量是独立的。，若有五个独
立的滑移系开动的话，则靠这五个独立滑移系滑移量的调整可以 使任一点获得任意的应变量。
所谓独立的滑移系是指某一滑移系产生的滑移不能用所讨论 的其它滑移系的滑移组合来代替。晶体的滑移系中能互相搭配成 五个独立的滑移系的组合数的多少是衡量晶体塑性大小的一个因 素。
因为内禀层错的两侧的排列顺序一直到层错边界都是正确的 顺序，“内禀”因而得名；而现在的这种排列则不然，在层错中 心的一排原子面，不论从层错的两边哪一侧看，都不能归结为正 确的排列顺序。
16
若在面的堆垛中任意插入一层 (111) 面（例如在B和C层之间插入
一层A），于是堆垛顺序变成……ABCABCAB┇A┇CABCABC……，这
D/B
1 23 6
22
全位错
全位错的柏氏矢量是<110>/2 。这个刃位错的半原子面是(110)面，
在a[110]/2间隔内含有2层(110)面。在 (111)面上看，这2层半原子面表
现为弯曲的原子列。若全位错向左移动，则图中上层原子（深蓝
晶体缺陷位错的基本类型与特征
（a）变形前
（b）变形后
图 单晶试棒在拉伸应力作用下 的变化（宏观）
晶体缺陷位错的基本类型与特征
2、理想晶体的滑移模型
τ τ
图 外力作用下晶体滑移示意图（微观）
晶体缺陷位错的基本类型与特征
（1）理论抗剪屈服强度
滑移面上各个原子在切应力作用下，同时克服相邻滑 移面上原子的作用力前进一个原子间距，完成这一过程所 需的切应力就相当于晶体的理论抗剪屈服强度τm。
螺型位错的情况与刃型位错一样具有易 动性。
位错的运动
混合位错 的运动
晶体缺陷位错的基本类型与特征
三、位错的柏氏矢量
1、柏氏矢量的概念与性质
柏氏矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相 对于另一侧质点的相对位移或畸变。
性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移 方向一致（滑移矢量）。 柏氏(Burgers)矢量是一个矢量，具有方向和 大小；这个物理参量能把位错区原子的畸变特征 表示出来，包括畸变发生在什么晶向以及畸变有 多大（畸变矢量） 。
晶体缺陷位错的基本类型与特征
位错的特征归纳：
（1）可以把位错定义为晶体中以滑移区与未滑移 区的边界。
（2）刃型位错不仅仅指刀刃处的一条原子，而是 刀刃处这列原子及其周围区域。
（3）刃型位错中，晶体发生局部滑移的方向（或 滑移矢量）是与位错线垂直的。
（4）螺型位错中，晶体发生局部滑移的方向（或 滑移矢量）是与位错线平行的。
（2）理论抗剪屈服强度与晶体的切变模量的关系
原子的结合键能与弹性模量有很好的对应关系，因此 理论抗剪屈服强度τm应与晶体的切变模量G的大小有一定 的关系，根据推算两者之间大致的为：
m
G 30
材料微观结构晶体中的位错与层错课件
层错阻碍位错滑移，导致位错在层错附近塞积，形成应力集中。
位错和层错交互作用导致材料强化和韧性下降
材料强化
位错和层错的交互作用增加了材料的强度，提高了材料的抗变形能力。
韧性下降
位错和层错的交互作用导致材料韧性下降，容易出现脆性断裂。
04
实验方法观察和分析位错与层错
透射电子显微镜技术
原理
利用电子束穿透样品，通过电磁 透镜成像，获得晶体结构的高分
形成条件
晶体结构复杂、原子间结合力弱、外界环境干扰等。
层错对材料性能影响
01Βιβλιοθήκη 0203力学性能
层错导致晶体结构畸变， 影响材料的强度、韧性、 延展性等力学性能。
物理性能
层错影响材料的导电、导 热、光学等物理性能，可 能导致材料性能的不均匀 性。
化学性能
层错处原子排列紊乱，可 能导致材料的化学活性增 加，易受环境因素影响而 发生变化。
05
典型材料中位错和层错实例分析
金属中位错和层错现象举例
铝中的位错
在铝晶体中，位错通常呈现为线缺陷， 其滑移面为{111}。位错的存在对铝的强 度和塑性变形行为具有重要影响。
VS
铜中的层错
铜晶体中，层错通常出现在{111}面上， 表现为原子层的堆垛顺序发生改变。层错 能较低，使得铜具有较好的塑性和韧性。
陶瓷中位错和层错现象举例
氧化铝陶瓷中的位错
氧化铝陶瓷晶体中，位错主要呈现为线缺陷 和面缺陷。位错的存在对陶瓷的力学性能和 热学性能具有重要影响，如提高氧化铝陶瓷 的强度和断裂韧性。
氮化硅陶瓷中的层错
氮化硅陶瓷晶体中，层错通常出现在{100} 和{110}面上。层错的引入可以改善氮化硅 陶瓷的韧性，降低脆性。
第七节 实际晶体中的位错
d与γ成反比，与G成正比。
γ大的金属，d很小，不易形成扩展 位错。
如Al，d约1~2个原子间距，无扩展。 γ小的金属，d甚大，易于形成扩展 位错。
如Co，d约35个原子间距。
四、离子晶体和共价晶体中的位错
离子晶体和共价晶体中都有位错。 与金属相比，共价晶体和离子晶体中固有的 位错，特别是可动位错少； 金属在变形时可大量增殖位错，而共价晶体 和离子晶体由于原子结合力很强，位错运动时点 阵阻力大，都导致其变形比金属困难，变形能力 小，塑性差，变形抗力大，强度高。 金刚石是最硬的材料。
柏氏矢量：b
a
[121；]
6
方向平行于层错面，与位错线互相垂直，是
刃型不全位错。
它可以在{111}面上滑移，其滑移相当于层错 面扩大或缩小。
它不能攀移，若攀移离开层错面，是不可能 的。
弗兰克不全位错：
弗兰克不全位错：在完整晶体中插入半层或 抽去半层密排面 {111}产生的层错与完整晶体之间 的边界。
面心立方晶体滑移
A
扩展位错
扩展位错：一个全位错分解为两个不全位错，
中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态。
形成：原子沿 a [110] 的一步滑移，分解成沿
a 6
[121]和
a 6
2
[211的] 两步滑移。
路径虽曲折，但能量 较小。
b1和b2为两个肖克 莱不全位错，它们之间
为一堆垛层错带。
面心立方晶体中的扩展位错
肖克莱不全位错：晶体中滑移面上的某一原
子层滑移 到另一原子层的位置而形成的 垛层错
与完整晶体的边界。
右侧： ABCABCABC … 正常顺序， 左侧： ABCBCABC， 有层错存在 A→B，B→aC[1。21] 滑移矢量：6
材料微观结构第四章晶体中的位错与层错1详解
2 螺位错
形成及定义：
晶体在外加切应力作用下，沿ABCD面滑移， 图中EF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， 故称为螺位错。 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。 分类：有左、右旋之分，分别以符号“”和“” 表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头 表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋 定则。
第四章 晶体中的 位错与层错
4.1引言
完整晶体的理论切变强度＝G/2π（切变模量 G=104~105N/mm2）»实际临界切应力 1934年，Taylor提出“位错”(line defects ，
dislocation )概念－原子可能偏离其正常平衡位
置。
在此后20多年的时间里，人们一直持怀疑态度 1956年，博尔曼、赫尔什、门特实验观察到缺陷， 证实Taylor的说法。
晶体中的混合型位错
补充
无论任何位错都具有连续性。 存在状态：形成闭合位错环、终止于晶界 或其他界面、在晶体表面露头，而不会终
止于晶体内部。
4.2.2 柏氏矢量的基本性质
为了便于描述晶体中的位错，以及更为确切地表征不同类 型位错的特征，1939年柏格斯（J. M. Burgers）提出了
采用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢
刃型位错结构的特点：
1).刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑 移面上边的称为正刃型位错，记为“┻”；而把多出在下边的称为负 刃型位错，记为“┳”。其实这种正、负之分只具相对意义而无本质 的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它 不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直， 也垂直于滑移矢量. 如纯刃型位错环。 3).滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面 上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因 此，由它们所构成的平面只有一个。 4).晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既 有切应变，又有正应变。就正刃型位置而言，滑移面上方点阵受到 压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。 5).在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能 量。但该处只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型 位错是线缺陷。
2.5 实际晶体中的位错(白底)
单位位错的柏氏矢量一定平行于晶 体的最密排方向
柏氏矢量表示位错运动后晶体相对的滑 移量， 移量，因此它只能由原子的一个平衡位 置指向另一个平衡位置。 置指向另一个平衡位置。 从能量条件看，由于位错能量正比于 从能量条件看，由于位错能量正比于b2， 故柏氏矢量越小，位错能量越低。 故柏氏矢量越小，位错能量越低。
2011-10-12 16
（2）弗兰克不全位错 ）
层错区与正常堆垛区交界就是弗兰克不全位错。其中 层错区与正常堆垛区交界就是弗兰克不全位错。 抽出部分{111}面形成的层错叫内禀层错， {111}面形成的层错叫内禀层错 抽出部分{111}面形成的层错叫内禀层错，内禀层错区 与正常堆垛区交界称为负弗兰克不全位错，如图a 与正常堆垛区交界称为负弗兰克不全位错，如图a， 插入部分{111}面形成的层错叫外禀层错， 插入部分{111}面形成的层错叫外禀层错，外禀层错区与 {111}面形成的层错叫外禀层错 正常堆垛区交界称为正弗兰克不全位错，如图b 正常堆垛区交界称为正弗兰克不全位错，如图b。
四、 扩展位错
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24
1、 面心立方晶体的滑移 、
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1、 面心立方晶体的滑移 、
面心立方晶体按ABCABC…顺序堆垛而成 顺序堆垛而成 面心立方晶体按 第一层原子占A位置，此时有两种凹坑出现， 图a中，第一层原子占A位置，此时有两种凹坑出现，若将 凹坑看成B位置， 凹坑即为C位置。 △凹坑看成B位置，则▽凹坑即为C位置。 当发生滑移时，若从B位置滑移到相邻的B位置， 当发生滑移时，若从B位置滑移到相邻的B位置，即滑移矢 量为单位位错柏氏矢量时，此时要滑过A层原子的“ 量为单位位错柏氏矢量时，此时要滑过A层原子的“高 滑移所需能量较高。 峰”，滑移所需能量较高。 如果B层原子作“之”字运动，先由B滑移到C，再由C滑移 如果B层原子作“ 字运动，先由B滑移到C 再由C 就比较省力，即用两个部分位错的运动代替b 到B，就比较省力，即用两个部分位错的运动代替b1全位 错的运动，如图b 错的运动，如图b。 单位位错BC BC可分解为两个肖克莱不全位错 单位位错BC可分解为两个肖克莱不全位错
9真实晶体中的位错
2 0 1
2 1 0
0 0 1
t
26
0
2
1
2
6
1
0
1
2
6
1
2 1 0
1 1 0
0 1 2
1 0 2
这证明了这三个滑移系并非完全独立。以这三个滑移系为讨论基点， 再在12个滑移系剩余的9个中任取两个组成五个滑移系组，可能的方 式有
C92 79！！2！ 36
按照类似的讨论，最后知道真正能构成5个完全独立的滑移系组 的方式共有384种。面心立方能选择5个完全独立的滑移系的方式如 此之多，说明面心立方晶体具有较高延展性的原因。
若在面的堆垛中任意插入一层 (111) 面（例如在B和C层之间插入 一层A），于是堆垛顺序变成……ABCABCAB┇A┇CABCABC……， 这也是外延层错。这时的层错矢量是[111] / 3。
层错矢量为a<111>/3
两类层错的比较
类型
内禀（I型）
外延（E型）
堆垛方式 形成方式 层错矢量
厚度
1n3 3n1
2 n3
3n2
1n3 3n1 2n3 3n2
23n3
现讨论的三个滑移系的滑移面都是(111)，它的单位法线矢量n的方
向余弦都是 3 3，而滑移方向是<110>，所以i等于 2 2或者为0。把
三个滑移系具体的ni和i值代入并相加，就获得三个滑移系切动相
同的后所得的总应变t：
若这位错作离开滑移面运 动，则会产生严重错排， 故这位错是不可能攀移的
扩展位错
把全位错的 滑动分成两步： 第一步从C位置 到邻近的B位置， 移动 a[211] / 6(B)， 然后再从B位置 移动到另一个C 位置,移动 a[121] 6 (A)。即一个全 位错发生分解：
晶体缺陷理论典型晶体结构中的位错
★见弗兰克 不全位错swf
•位错反应－－位错之间的相互转化 •位错的能量越低越稳定
（1）晶胞中选取四个近邻原子位置，000
、 1 2
0
1 2
、0
1 2
1 2
、
1 2
1 2
0
，分别为D、B、A、C点。
（2）A、B、C、D相连构成正四面体，为Thmpson。
第5层原子由A位置滑移到C位置，第6层以上原子依次滑移一个原子间距……
，产生2个次近邻层错ABC和BAC
插一层不同位置的原子
纸面为 1100
E型堆垛层错
8
8
7
7
0001
6
6
5
5
插入
4
1 1 00 4
3
3
2
2
1
0001 1
AB C A B C A B C A B C A B
AB C A B C A B C A B C A B
1 211
6
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
滑移
3
3
2
2
1
1
AB C A B C A B C A B C A B
AB C A B C A B C A B C A B
在切应力作用下，第4层原子由A位置滑移到B位置，其上各层原子依 次滑移，排列成为了ABCBCABC，出现了内禀层错，即在fcc结构中 形成了BCBC的hcp结构，及BCB与CBC孪晶。与抽出型层错相同。
晶体缺陷理论
第4章 典型晶体结构中的位错
§1 面心立方晶体中的位错 §2 密排六方晶体中的位错 §3 体心立方晶体中的位错
实际晶体中的位错
FCC中全位错滑移时原子的滑动路径 B层原子的滑动分两步：B→C→B
FCC晶体的全位错的柏氏矢量应为b=a/2<110>， 简写成b=1/2<110>。全位错的滑移面是{111}，刃型位 错的攀移面（垂直于滑移面和滑移方向的平面）是 {110}。
如图中FCC晶体的滑 移面为(111)晶面，柏氏 矢量方向为[110]晶向， b=1/2[110]；半原子面 (攀移面)为(110)晶面， 其堆垛次序为ababab…
3
6
6
3
1 [0 1 1] 1 CA
6
3
1 [101] 1 DA
6
3
希－希向量就是 FCC中压杆位错的 柏氏矢量。
1 [1 01] 1 CB
6
3
1 [011] 1 DB
6
3
FCC中的位错反应，即位 错的合成与分解也可以用 Thompson四面体中的向量
1 [110] 1 DC
皆为
在(111)面上：
a
a a
[101] [112] [211]
2
6
6
Shockley 不全位错。
在(111)面上：
a
[011]
a
[121]
a
[112]
2
6
6
当两个扩展位错
的领先不全位错C1D1 和C2D2 在外力作用下， 滑移至两滑移面的交
线上AD并相遇时， 可以合成一个新位错：
a 6
晶体中的层错区与正常堆垛区的交界即是不全位 错。在面心立方晶体中，存在两种不全位错，即是肖 克莱(Shockley)不全位错和弗兰克(Frank)不全位错。
Shockley分位错的定义： 在FCC晶体中位于{111}晶面上柏氏矢量为
位错的观测
一．浸蚀坑法
位错周围有点阵畸变，能量高，在相应化学浸蚀时 出现浸蚀坑，原理如图。
试验观察的试样
（111）面零散位错，呈三角形； （100）面零散位错，呈圆形、椭圆形； 位错塞积（排） 小角晶界 层错线 空位及空位团 星形结构，宏观（肉眼）观察呈星形，微 观观察呈空位团。
二、电子显微镜观察
1、直接观察 高分辨率电子显微镜 （透射电镜）的分辨率 已达到小于0.2nm，所 以可用电子显微镜直接 观察金属中的位错。
2．衍衬法
高速电子束透过金属薄膜（ 100-500nm）时，要发生衍射。 电子显微镜成像时，物镜光阑基本上把衍射部分挡住，使 它不能成像。成像的亮度决定于透射电子束的强度。 当晶体中有位错等缺陷存在时，电子束通过位错畸变区可 产生较大的衍射，使透射束较其余区域弱，所以位错在成像中 表现为黑色线条。
18-8不锈钢中多组平行位错和位错网络。
投影图
位错分布图
薄膜厚约200nm，位错从薄膜的顶部一直延伸 到底部。 两组位错，每个位错产生一条黑线，线的宽度 一般为10nm，比实际位错要宽。
ห้องสมุดไป่ตู้
衍衬法的优点：试样制备容易；分辨率 约1.5nm已足够；观察视域大，看到的范围 广；还可用于观察变形时的位错运动及它们 的交互作用等。 缺点：看不出位错的微观结构。
位错实验报告
一、实验目的1. 理解位错的概念和类型。
2. 通过实验观察位错的产生、运动和扩展。
3. 研究位错对材料力学性能的影响。
二、实验原理位错是晶体中的一种缺陷，是晶体中原子排列发生局部畸变的结果。
位错的存在对材料的力学性能、导电性、热膨胀性等方面都有重要影响。
本实验通过观察和测量位错，研究其产生、运动和扩展过程，以及位错对材料力学性能的影响。
三、实验材料与设备1. 实验材料：纯铜片2. 实验设备：- 金相显微镜- 拉伸试验机- 磁力显微镜- 粒子加速器四、实验步骤1. 制备试样将纯铜片切割成适当尺寸的试样，并进行表面抛光处理。
2. 位错观察利用金相显微镜观察试样表面，寻找位错线。
3. 拉伸试验将试样放置在拉伸试验机上，进行拉伸试验。
记录试样断裂时的应力、应变等力学性能参数。
4. 磁力显微镜测量利用磁力显微镜观察位错线在试样中的分布情况，测量位错线的长度、宽度等参数。
5. 粒子加速器实验将试样放置在粒子加速器中，对试样进行辐照，观察位错线的产生、运动和扩展过程。
五、实验结果与分析1. 位错观察结果在金相显微镜下，观察到试样表面存在位错线。
位错线呈直线状，具有一定的长度和宽度。
2. 拉伸试验结果在拉伸试验中，试样断裂时的应力、应变等力学性能参数与位错线的分布和数量有关。
位错线的存在会降低材料的强度和韧性。
3. 磁力显微镜测量结果通过磁力显微镜测量，得到位错线的长度、宽度等参数。
位错线的长度一般在几十到几百纳米之间，宽度在几纳米左右。
4. 粒子加速器实验结果在粒子加速器辐照实验中，观察到位错线的产生、运动和扩展过程。
位错线的产生、运动和扩展与辐照剂量有关。
六、结论1. 位错是晶体中的一种缺陷，对材料的力学性能有重要影响。
2. 位错线的产生、运动和扩展与辐照剂量、应力等因素有关。
3. 位错线的分布和数量对材料的力学性能有显著影响。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意保护试样表面，避免划伤或污染。
2. 在金相显微镜观察时，调整显微镜的焦距，确保位错线清晰可见。
实验一 位错蚀坑的观察
实验一位错蚀坑的观察（Observation of Etchpits of Dislocation）实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的⒈通过使用金相显微镜观察晶体中的位错蚀坑，观看录象“Living Metal”，进一步加深对位错的了解。
⒉学会计算位错密度的方法。
⒊计算某一小角度晶界（亚晶界）的角度。
二、概述目前已有多种实验技术用于观察晶体中的位错，常用的有以下两种：浸蚀技术、透射电镜。
⒈位错蚀坑的浸蚀原理利用浸蚀技术显示晶体表面的位错，其原理是：由于位错附近的点阵畸变，原子处于较高的能量状态，再加上杂质原子在位错处的聚集，这里的腐蚀速率比基体更快一些，因此在适当的侵蚀条件下，会在位错的表面露头处，产生较深的腐蚀坑，借助金相显微镜可以观察晶体中位错的多少及其分布。
位错的蚀坑与一般夹杂物的蚀坑或者由于试样磨制不当产生的麻点有不同的形态，夹杂物的蚀坑或麻点呈不规则形态，而位错的蚀坑具有规则的外形，如三角形、正方形等规则的几何外形，且常呈有规律的分布，如很多位错在同一滑移面排列起来或者以其他形式分布；此外，在台阶、夹杂物等缺陷处形成的是平底蚀坑，也很容易地区别于位错露头处的尖底蚀坑。
为了证明蚀坑与位错的一致对应关系，可将晶体制成薄片，若在两个相对的表面上形成几乎一致的蚀坑，便说明蚀坑即位错。
位错蚀坑的形状与晶体表面的晶面有关。
譬如，对于立方晶系的晶体，观察面为{111}晶面时，位错蚀坑呈正三角形漏斗状；在{110}晶面上的位错蚀坑呈矩形漏斗状；在{100}晶面上的位错蚀坑则是正方形漏斗状。
因此，按位错蚀坑在晶面上的几何形状，可以反推出观察面是何晶面，并且按蚀坑在晶体表面上的几何形状对称程度，还可判断位错线与观察面（晶面）之间的夹角，通常是10~90°；自然，若位错线平行于观察面便无位错蚀坑了。
（1-1）PbMoO4 （001）面位错蚀坑（1-2）PbMoO4垂直于（001）面的位错蚀坑（1-3）单晶硅（111）晶面上的位错蚀坑（1-4）ZnWO4晶体（010）晶面上的位错蚀坑位错蚀坑的侧面形貌与位错类型有关。
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实验一晶体位错观察
一、实验目的
1.初步掌握用浸蚀法观察位错的实验技术。
2.学会计算位错密度。
二、实验设备
1. 单晶硅专用磨片机；
2. 高纯热处理炉；
3. 反光显微镜；
4. 酸处理风橱；
5. 纯水系统；
6. 大、小烧杯；
7. 大、小量筒
8. 纯净干燥箱
9. 超声清洗机，10. 硅单晶试样、11. 带测微目镜的金相显微镜、12. 切片机。
三、实验原理
由于位错是点阵中的一种缺陷，所以当位错线与晶体表面相交时，交点附近的点阵将因位错的存在而发生畸变，同时，位错线附近又利于杂质原子的聚集。
因此，如果以适当的浸蚀剂浸蚀金属的表面，便有可能使晶体表面的位错露头处因能量较高而较快地受到浸蚀，从而形成小的蚀坑，如图1-1所示。
这些蚀坑可以显示晶体表面位错露头处的位置，因而可以利用位错蚀坑来研究位错分布以及由位错排列起来的晶界等。
但需要说明的是，不是得到的所有蚀坑都是位错的反映，为了说明它是位错，还必须证明蚀坑和位错的对应关系。
由于浸蚀坑的形成过程以及浸蚀坑的形貌对所在晶体表面的取向敏感，根据这一点可确定蚀坑是否有位错的特征（图1-1所示）。
本实验所用的硅单晶及其它立方晶体中的位错在各种晶面上蚀坑的几种特征如图1-2所示。
图1－1 位错在晶体表面露头处蚀坑的形成
(a)刃型位错，包围位错的圆柱区域与其周围的晶体具有不同的物理和化学性质；
(b)缺陷区域的原子优先逸出，导致刃型位错处形成圆锥形蚀坑；(c)螺位错的露头位置；(d)螺位错形成的卷线形蚀坑，这种蚀坑的形成过程与晶体的生长机制相反。
(111)
a=b
(100)
图1-2 立方晶体中位错蚀坑形状与晶体表面晶向的关系
由于浸蚀坑有一定大小，当它们互相重叠时，难以分辨，故浸蚀法只适用于位错密度小于106cm-2的晶体，且此法所显示的只是表面附近的位错，有一定的局限性。
四、实验步骤
A. 浸蚀法观察位错
浸蚀表面最常用的方法是化学法和电解浸蚀法。
化学法的步骤如下：
1．切片：用切片机沿待观察的晶面切开硅单晶棒，制成试样。
2．磨制试样：右手握住试样，左手掀住玻璃片，依次用300#、302#金刚砂进行研磨，每道工序完毕后用水冲洗。
3．清洗：用有机溶剂（如丙酮）或洗涤剂擦洗待观察表面，去除表面油污，继之用清水冲洗。
4．化学抛光：目的是清洁表面并使其平整光亮。
抛光液的配比为HF(42%):HNO3(65%)=1:3，处理时温度为18～23℃，时间为1.5～4分钟，操作时应将样品浸没在浸蚀液中，且不停地搅拌，隔一定时间取出后，立即用水冲洗，察看表面，反复几次，直到表面光亮为止。
最后再用水冲洗干净。
5．位错坑的浸蚀：常用的腐蚀剂有三种：①Dash腐蚀液：HF∶HNO3∶CH3COOH=1∶2.5∶10；②Wright腐蚀液：HF(60ml)+HAc(60ml)+H2O(30ml)+CrO3(30ml) +Cu(NO3)2(2g)；③铬酸腐蚀液：CrO3(50g)+ H2O(100ml)+HF(80ml)。
本实验采用铬酸法。
按以下配比配制CrO3标准液：
(1)标准液:HF(42%)=2:1（慢蚀速）；
(2)标准液:HF(42%)=3:2（慢蚀速）；
(3)标准液:HF(42%)=1:1（慢蚀速）；
(4)标准液:HF(42%)=1:2（快蚀速）；
实验时优先配方(3)，对位错密度较高的样品及重掺杂样品可也用配方
(1)，这是因为位错密度较高的样品腐蚀时，用快蚀剂不易控制，会使位错
坑重叠起来而不易辨别。
重掺杂样品由于含杂质量较大，本身就能促进蚀速加快，故也不宜采用快速蚀剂。
硅晶体在浸蚀过程中与浸蚀剂发生一种连续不断的氧化—还原反应，即CrO42-使硅表面氧化，形成SiO2，继之HF与SiO2相互作用，形成溶于水的络合物H2SiF6，随后再氧化，再溶解，如此循环，其反应式为：
3Si + 2Cr2O72-→ 3SiO2 + 2Cr2O42-
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
总反应式为：3Si + 2Cr2O72- + 18HF → 3H2SiF6 + 2Cr2O42- + 6H2O
具体的浸蚀方法是：将抛光后的样品放入蚀槽中，槽中蚀剂量的多少视样品的大小而定，不要让样品露出液面即可。
在15～20℃温度下浸蚀5～30分钟即可取出。
如果温度太低也可延长时间，取出样品后，用水充分冲洗并干燥之。
6．观察：样品在干燥后即可在金相显微镜下观察。
各个样品依次观察，画下蚀坑特征及其分布图象；根据各样品观察面上具有不同形状（如三角形、正方形、矩形等）特征的位错蚀坑，判别观察面的面指数。
B. 计算位错密度
利用测微目镜计算所观察样品的位错密度。
硅单晶位错一般为环形线，位错线只能终止晶体表面或界面上，用单位面积内所包含的露头数可求得硅单晶试样
中的位错密度。
ρ=N/S，其中N为观察视域中的全部露头数，S为观察视域的面积，用测微目镜中标尺测得其直径后算得。
（测微目镜标尺格值：450×每小格0.003mm；80×0.016mm）。
五、思考题
1.如何根据蚀坑的特征确定位错的性质及蚀坑所在面的指数？
2.如何根据蚀坑排列方向来判断位错性质？
3.如何用蚀坑法来测定位错的运动速度？
4.位错密度的计算有何使用价值？本实验采用的计算方法有何局限性？。