材料科学基础 第 三 章 晶 体 缺 陷 (三)
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攀移（climb）：刃型位错的位错线还可以沿着 垂直于滑移面的方向移动，刃型位错的这种运动称 为攀移。也就是说只有刃位错才有攀移。 *非保守运动，并引起位错的半原子面扩大 和缩小，因此攀移总是伴随着点缺陷的输运。 除滑移和攀移还有交割（cross/interaction） 和扭折（kink）
3.2.3 位错的运动
滑移（slip）: 在一定的 切应力的作用下，位错在滑移 面上受到垂直于位错线的作用 力。当此力足够大，足以克服 位错运动时受到的阻力时，位 错便可以沿着滑移面移动，这 种沿着滑移面移动的位错运动 称为滑移或者滑动。 *保守运动。滑移实际上是 指多个位错的行为
3.2.3 位错的运动
⑤ 带割阶位错的运动
• 如果割阶的高度只有1～2个原子间距，在外力足够大的条 件下，螺形位错可以把割阶拖着走，在割阶后面将会留下 一排点缺陷。 • 如果割阶的高度很大，能在20nm以上，此时割阶两端的位 错相隔太远，它们之间的相互作用较小，那它们可以各自 独立地在各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面 上旋转，这实际也是在晶体中产生位错的一种方式。 • 如果割阶的高度介于上述两种高度之间，位错不可能拖着 割阶运动。在外力作用下，割阶之间的位错线弯曲，位错 前进就会在其身后留下一对拉长了的异号刃位错线段，也 称为位错偶。为降低应变能，这种位错偶常会断开而留下 一个长的位错环，而位错线仍恢复原来带割阶的状态，而 长的位错环又常会再进一步分裂成小的位错环，这也是形 成位错环的机理之一。
第 三 章 晶 体 缺 陷 （三）
— 源自文库错的运动
烟台大学 秦连杰 教授 E-mail：lianjieqin@126.com
3.2.3 位错的运动
晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现，并且晶体的 力学性能如强度、塑韧性和断裂等均与位错的运动有关。 原因：位错运动是因它沿受力方向改变位置会使系统自由 能减少，位错实现运动要求它所受的力足以克服运动阻力。 位错运动的两种基本形式：保守运动－滑移（slip）和非保 守运动－攀移（climb）。
螺型位错的滑移
位错线每前进一个 原子间距，原子实 际运动距离不到一 个原子间距。
当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到 与之相交的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉 滑移，简称交滑移
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都 可以成为它的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑 移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之 相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称为交滑 移。如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的 滑移面上继续运动，则称为双交滑移。动画演示的 就是螺型位错双交滑移及其增殖模型的情形。
(a)
(b) 刃型位错的滑移
(c)
* 位错线每前进一个原子间距，原子实际运动 距离不到一个原子间距。
τ
滑移面
τ
滑移台阶
位错滑移的比喻
b、 位错的滑移之螺型位错
螺型位错： 沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右 半部沿滑移面上下相对地移动了一个沿原子间距。这种位移 随着螺型位错向左移动而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列。 螺型位错的移动方向与b垂直。此外因螺型位错b 与t平 行，故通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑 移面。
（2）几种典型的位错交割
交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 ① 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割（图3.20a）： PP′为割阶, b2 ⊥ PP′, PP′大小和方向取决于b1，为 刃型位错。 ② 两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割（图3.20b） ： PP′为扭折， b2 ⊥ PP′，QQ ′为扭折， b1 ⊥ QQ′， PP′ 和QQ ′都是螺位错。 ③ 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（图 3.21）：MM′为割阶, b1 ⊥ MM′, MM′大小和方向取 决于b2，为刃型位错。NN′为扭折， b2 ⊥ NN′， NN′ 大小和方向取决于b1，为刃型位错。 ④ 两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割（图3.22）： MM′和NN′均为刃型割阶。
小技巧：判断位错运动方向
判断位错运动后,它扫过的两 侧的位移方向：根据位错线的正 向和柏氏矢量以及位错运动方向 来确定位错扫过的两侧滑动的方 向。可用右手定则判断：食指指 向位错线正方向，中指指向位错 运动方向，拇指指向沿柏氏矢量 方向位移的那一侧的晶体。
位错线方向
2、 位错的攀移
• 位错的攀移(climbing of disloction):在垂直于滑移面方 向上运动
割阶与扭折
在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全 长的运动。因而一个运动的位错线，特别是在受阻的情况 下，有可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行 滑移。若由此形成的曲折线段就在滑移面上时，称为扭折 （kink）；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，成为割 阶（jog）。扭折和割阶也可由位错之间交割而形成。 刃型位错的攀移过程是通过原子或空位扩散来实现的，在 此过程中，原子或空位是逐步迁移到位错线上的，这样， 在位错的已攀移线段与未攀移线段之间会产生一个台阶， 也就是在位错线上形成了割阶。有时位错的攀移可理解为 割阶沿位错线逐步推移，而使位错线上升或下降，因而攀 移过程与割阶的形成和运动密切相关。
c、位错的滑移(slipping of disloction)总结
任何类型的位错均可进行滑移.
(1) 刃位错的滑移过程（教材图3.13）∥b、b⊥、滑移 方向⊥ 、滑移方向∥b，刃型位错的滑移面就是位错线 与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移面是单 一的。 (2) 螺型位错的滑移过程（教材图3.14）∥b、b ∥ 、滑 移方向⊥ 、滑移方向⊥ b ，非单一滑移面。可发生交 滑移。 (3) 混合位错的滑移过程（教材图3.15）沿位错线各点的 法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。 但滑动方向与柏氏矢量有夹角。
• 攀移的实质:构成刃型位错多余半原子面的扩大和缩小，它 是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。
• 刃位错的攀移过程:如果有空位迁移到半原子面的下端，或 者半原子面下端的原子扩散到别处时，半原子面缩小，即位 错向上移动，称为正攀移；向下运动称为负攀移。 • 注意：只有刃型位错才能发生攀移，即位错在垂直于滑移面 的方向上运动。滑移不涉及原子扩散，而攀移必须借助原子 扩散，因此攀移运动称为“非守恒运动”。外加应力对攀移 起促进作用，压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的 攀移。
1、 位错的滑移
位错的滑移(slipping of disloction): 位错的滑移是在外加切应力作用下，通过位错 中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地 作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。 如图3-13 刃型位错的滑移过程, 图3-14 螺型位错的滑移过程, 图3-15 混合型位错的滑移过程所示。
混合 位错
（1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位 错特征。b⊥ξ 时为刃型位错，b∥ξ 为螺型位错， 对于混合型位错，b和τ的角度在0º 和90º 。
（2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。 （3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变。 （4）位错线不能终止于完整晶体之中。
3、 位错的交割
位错的攀移
刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动即发 生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。
(a)正攀移
(b)原始位置 刃型位错的攀移
(c)负攀移
讨 论 和 练 习
位错的滑移特征
位错 类型 刃型 位错 螺型 位错 柏氏 矢量 ⊥位错线 ∥位错线 成角度 位错线 运动方向 ⊥位错线本身 ⊥位错线本身 ⊥位错线本身 晶体滑移 方向 与b一致 与b一致 与b一致 滑移面 数目 唯一确 与b一致 定 与b一致 多个 与b一致 切应力 方向
当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他 位错交割（cross）。位错交割时会发生相互作用，这对材料的 强化、点缺陷的产生有重要意义。 位错的交割（cross）： （1）割阶与扭折（jog and kink） 割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时 扭折：曲折段在位错的滑移面上时 注：① 刃型位错的割阶仍为刃型位错,扭折为螺型位错。 螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。 ② 刃型位错的扭折是一可动螺位错,割阶也是一可动 的刃位错。螺型位错的扭折是可动的刃型位错,割 阶是不可动的刃型位错。
结 论
① 运动位错交割后,都可以产生扭折或割阶,其大小和方向取 决与另一位错的柏氏矢量,其方向平行,大小为其模,但具原 位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平 行,则交割后该位错线不出现曲折。 ② 所有割阶都是刃位错,而扭折可以是刃位错,也可以是螺位 错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶 体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。 ③ 扭折与原位错在同一滑面上,可随主位错线一起运动,几乎 不产生阻力,且扭折在线张力作用下易与消失。 割阶与原位错线在同一滑移面上,除攀移外割阶一般不 能随主位错一起运动,成为位错运动的障碍。
a、 位错的滑移之刃位错
刃型位错： 对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏 氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位 置(a)移动到位置(b)。 当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半 部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b的台阶。 刃型位错的柏氏矢量 b 与位错线 互相垂直，故滑 移面为 b 与 决定的平面，它是唯一确定的。刃型位错 移动的方向与 b 方向一致，和位错线垂直。
3.2.3 位错的运动
滑移（slip）: 在一定的 切应力的作用下，位错在滑移 面上受到垂直于位错线的作用 力。当此力足够大，足以克服 位错运动时受到的阻力时，位 错便可以沿着滑移面移动，这 种沿着滑移面移动的位错运动 称为滑移或者滑动。 *保守运动。滑移实际上是 指多个位错的行为
3.2.3 位错的运动
⑤ 带割阶位错的运动
• 如果割阶的高度只有1～2个原子间距，在外力足够大的条 件下，螺形位错可以把割阶拖着走，在割阶后面将会留下 一排点缺陷。 • 如果割阶的高度很大，能在20nm以上，此时割阶两端的位 错相隔太远，它们之间的相互作用较小，那它们可以各自 独立地在各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面 上旋转，这实际也是在晶体中产生位错的一种方式。 • 如果割阶的高度介于上述两种高度之间，位错不可能拖着 割阶运动。在外力作用下，割阶之间的位错线弯曲，位错 前进就会在其身后留下一对拉长了的异号刃位错线段，也 称为位错偶。为降低应变能，这种位错偶常会断开而留下 一个长的位错环，而位错线仍恢复原来带割阶的状态，而 长的位错环又常会再进一步分裂成小的位错环，这也是形 成位错环的机理之一。
第 三 章 晶 体 缺 陷 （三）
— 源自文库错的运动
烟台大学 秦连杰 教授 E-mail：lianjieqin@126.com
3.2.3 位错的运动
晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现，并且晶体的 力学性能如强度、塑韧性和断裂等均与位错的运动有关。 原因：位错运动是因它沿受力方向改变位置会使系统自由 能减少，位错实现运动要求它所受的力足以克服运动阻力。 位错运动的两种基本形式：保守运动－滑移（slip）和非保 守运动－攀移（climb）。
螺型位错的滑移
位错线每前进一个 原子间距，原子实 际运动距离不到一 个原子间距。
当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到 与之相交的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉 滑移，简称交滑移
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都 可以成为它的滑移面，因此当某一螺型位错在原滑 移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之 相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称为交滑 移。如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的 滑移面上继续运动，则称为双交滑移。动画演示的 就是螺型位错双交滑移及其增殖模型的情形。
(a)
(b) 刃型位错的滑移
(c)
* 位错线每前进一个原子间距，原子实际运动 距离不到一个原子间距。
τ
滑移面
τ
滑移台阶
位错滑移的比喻
b、 位错的滑移之螺型位错
螺型位错： 沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右 半部沿滑移面上下相对地移动了一个沿原子间距。这种位移 随着螺型位错向左移动而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列。 螺型位错的移动方向与b垂直。此外因螺型位错b 与t平 行，故通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑 移面。
（2）几种典型的位错交割
交割后要遵循柏氏矢量的一些特征。 ① 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割（图3.20a）： PP′为割阶, b2 ⊥ PP′, PP′大小和方向取决于b1，为 刃型位错。 ② 两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割（图3.20b） ： PP′为扭折， b2 ⊥ PP′，QQ ′为扭折， b1 ⊥ QQ′， PP′ 和QQ ′都是螺位错。 ③ 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错和螺型位错交割（图 3.21）：MM′为割阶, b1 ⊥ MM′, MM′大小和方向取 决于b2，为刃型位错。NN′为扭折， b2 ⊥ NN′， NN′ 大小和方向取决于b1，为刃型位错。 ④ 两柏氏矢量相互垂直的螺型位错交割（图3.22）： MM′和NN′均为刃型割阶。
小技巧：判断位错运动方向
判断位错运动后,它扫过的两 侧的位移方向：根据位错线的正 向和柏氏矢量以及位错运动方向 来确定位错扫过的两侧滑动的方 向。可用右手定则判断：食指指 向位错线正方向，中指指向位错 运动方向，拇指指向沿柏氏矢量 方向位移的那一侧的晶体。
位错线方向
2、 位错的攀移
• 位错的攀移(climbing of disloction):在垂直于滑移面方 向上运动
割阶与扭折
在位错的滑移运动过程中，其位错线往往很难同时实现全 长的运动。因而一个运动的位错线，特别是在受阻的情况 下，有可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行 滑移。若由此形成的曲折线段就在滑移面上时，称为扭折 （kink）；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，成为割 阶（jog）。扭折和割阶也可由位错之间交割而形成。 刃型位错的攀移过程是通过原子或空位扩散来实现的，在 此过程中，原子或空位是逐步迁移到位错线上的，这样， 在位错的已攀移线段与未攀移线段之间会产生一个台阶， 也就是在位错线上形成了割阶。有时位错的攀移可理解为 割阶沿位错线逐步推移，而使位错线上升或下降，因而攀 移过程与割阶的形成和运动密切相关。
c、位错的滑移(slipping of disloction)总结
任何类型的位错均可进行滑移.
(1) 刃位错的滑移过程（教材图3.13）∥b、b⊥、滑移 方向⊥ 、滑移方向∥b，刃型位错的滑移面就是位错线 与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移面是单 一的。 (2) 螺型位错的滑移过程（教材图3.14）∥b、b ∥ 、滑 移方向⊥ 、滑移方向⊥ b ，非单一滑移面。可发生交 滑移。 (3) 混合位错的滑移过程（教材图3.15）沿位错线各点的 法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂直于位错线方向。 但滑动方向与柏氏矢量有夹角。
• 攀移的实质:构成刃型位错多余半原子面的扩大和缩小，它 是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。
• 刃位错的攀移过程:如果有空位迁移到半原子面的下端，或 者半原子面下端的原子扩散到别处时，半原子面缩小，即位 错向上移动，称为正攀移；向下运动称为负攀移。 • 注意：只有刃型位错才能发生攀移，即位错在垂直于滑移面 的方向上运动。滑移不涉及原子扩散，而攀移必须借助原子 扩散，因此攀移运动称为“非守恒运动”。外加应力对攀移 起促进作用，压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的 攀移。
1、 位错的滑移
位错的滑移(slipping of disloction): 位错的滑移是在外加切应力作用下，通过位错 中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地 作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。 如图3-13 刃型位错的滑移过程, 图3-14 螺型位错的滑移过程, 图3-15 混合型位错的滑移过程所示。
混合 位错
（1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位 错特征。b⊥ξ 时为刃型位错，b∥ξ 为螺型位错， 对于混合型位错，b和τ的角度在0º 和90º 。
（2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。 （3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变。 （4）位错线不能终止于完整晶体之中。
3、 位错的交割
位错的攀移
刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动即发 生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。
(a)正攀移
(b)原始位置 刃型位错的攀移
(c)负攀移
讨 论 和 练 习
位错的滑移特征
位错 类型 刃型 位错 螺型 位错 柏氏 矢量 ⊥位错线 ∥位错线 成角度 位错线 运动方向 ⊥位错线本身 ⊥位错线本身 ⊥位错线本身 晶体滑移 方向 与b一致 与b一致 与b一致 滑移面 数目 唯一确 与b一致 定 与b一致 多个 与b一致 切应力 方向
当一位错在某一滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他 位错交割（cross）。位错交割时会发生相互作用，这对材料的 强化、点缺陷的产生有重要意义。 位错的交割（cross）： （1）割阶与扭折（jog and kink） 割阶：曲折段垂直于位错的滑移面时 扭折：曲折段在位错的滑移面上时 注：① 刃型位错的割阶仍为刃型位错,扭折为螺型位错。 螺型位错的割阶和扭折均为刃型位错。 ② 刃型位错的扭折是一可动螺位错,割阶也是一可动 的刃位错。螺型位错的扭折是可动的刃型位错,割 阶是不可动的刃型位错。
结 论
① 运动位错交割后,都可以产生扭折或割阶,其大小和方向取 决与另一位错的柏氏矢量,其方向平行,大小为其模,但具原 位错的柏氏矢量。如果另一位错的柏氏矢量与该位错线平 行,则交割后该位错线不出现曲折。 ② 所有割阶都是刃位错,而扭折可以是刃位错,也可以是螺位 错。交割后曲折段的方向取决与位错相对滑移过后引起晶 体的相对位移情况。相对位移可通过右手定则来判断。 ③ 扭折与原位错在同一滑面上,可随主位错线一起运动,几乎 不产生阻力,且扭折在线张力作用下易与消失。 割阶与原位错线在同一滑移面上,除攀移外割阶一般不 能随主位错一起运动,成为位错运动的障碍。
a、 位错的滑移之刃位错
刃型位错： 对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏 氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，就使位错由位 置(a)移动到位置(b)。 当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半 部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b的台阶。 刃型位错的柏氏矢量 b 与位错线 互相垂直，故滑 移面为 b 与 决定的平面，它是唯一确定的。刃型位错 移动的方向与 b 方向一致，和位错线垂直。