材料科学基础 第三章 晶体缺陷(六)

ABCABCABC…
AB，BC，CA…

ABABAB…

……
BA， AC，CB… ……
面心立方晶体： ……
密排六方结构：……
面心立方晶体： ……
抽出型层错 A B C B C A …… ……
插入型层错 A B C B A B C A …… ……
问题：位错都以密排方向的平移矢量存在吗?
若柏氏矢量不是晶体的平移矢量，当这种位错 扫过后，位错扫过的面两侧必出现错误的堆垛，称 堆垛层错。若这些错排不导致增加很多能量，则这 种位错是可能存在的，称部分位错(不全位错)
伴随的新现象：
1) 部分位错必伴随有层错，即部分位错线是层 错的边界线。
2) 形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它也能破 坏晶体的完整性和正常的周期性。
内在
positive Frank
a b 3 111
intrinsic stacking fault
extrinsic stacking fault
4. 位错反应
位错间的相互转化(合成或分解)过程。 4. 位错反应(dislocation 位错反应满足条件： reaction) ： (1) 几何条件 伯氏矢量守恒性，即： b b b a (2) 能量条件 反应过程能量降低 即：
1 1 1 [ 1 10] [ 211] [ 1 2 1 ] 2 6 6
I unslipped
b1
II slipped (faulted) zones
III
unfaulted
1 [ 211] 6
1 [1 2 1] 6
b2
把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称为扩展位错
bb ba
2
2
5. FCC晶hompson’s tetrahedron
利用Thompson四面体可确定FCC结构中的位 错反应。
11 A( 0) , C ( 0 1 1 ) , 22 22 1 1 B( 0 ) , D(000) 2 2
111 ( ), 663 111 ( ), 636 111 ( ), 366 111 ( ) 333
(1) Shockley不全位错 (Shockiey partial dislocation): 伯氏矢量：
1 b 121 2
肖克利不全位错的形成：原子运动导致局部错排，错
排区与完整晶格区的边界线即为肖克利不全位错。（结
合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。）
1 b [ 1 10] 2
面心立方晶体中(111)面上全位错a/2[110]的分解
2 2 2 2 2 1 2 a) a a bi ( i 2 4 2 2 6 2 1 2 a) 2 a bj ( j 6 3 2 2 bi b j
a：扩展位错的宽度
从前面已知，两个平行不全位错之间的斥力为
C
B
A
全位错的滑移分为两步：
1 1 1 [ 1 10] [ 1 2 1 ] [21 1 ] 2 6 6
[ 1 10]
[001]
未滑
[001]
已滑
A
C
A
C A
B
B A
C
B A
C
1 [ 1 12] 2
C
[ 1 10]
FCC {111}<112>
肖克利不全位错特点：
（1）根据其伯氏矢量与位错线的夹角关系，它既
结果在两个{111}面之间的面角上,形成由三个 不全位错和两个层错所构成的组态,称为 Lomer—Cottrel位错，又称面角位错。
1 1 1 [10 1 ] [2 1 1 ] [112] 2 6 6
CA=C+ A
1 1 1 [011] [112] [ 1 21] 2 6 6
4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个1/3＜111＞ 型的滑移矢量，它们相当于面心立方晶体中可能有的8个弗 兰克不全位错的伯氏矢量。
4个面中心相连即，，，，，为1/6＜110＞是 压杆位错
Thompson四面体及记号
扩展位错：
(2)扩展位错(extended/split dislocation)：
r为两不全位错的间距
当层错的表面张力与不全位错的斥 力达到平衡时，两不全位错的间距 r即为扩展位错的宽度d，
面心立方晶体中的扩展位错
b：扩展位错的束集：外力作用下收缩为原来全位 错的过程。
扩展位错在障碍处束集 面心立方晶体中的扩展位错
c：扩展位错的交滑移：扩展位错 （原滑移面）→ 束集 → 全螺位错 → 转移分解 → 扩展位错 （另一滑移面）
练习
6. 其他晶体中的位错 (1)bcc 滑移面有{111} {112} {113} 单位位错 b = a/2〈111〉 bcc中易发生交滑移，没有扩展位错，没有位 错分解 (2)hcp 全位错 (3)关于离子晶体的位错、共价晶体中的位错、 高分子晶体中的位错请参考教材及有关资料。
密排六方结构：…… 抽出型层错 B A B A C B A C …… …… 插入型层错 B A B A C B C B …… …… 堆垛层错能 (J/m2)
堆垛层错能： 为产生单位面积层错所需的能量。
3. 不全位错：伯氏矢量小于点阵矢量的位错
负Frank不全位错—抽出型 正Frank不全位错—插入型 b = a/3<111>，纯刃型，伯氏矢量垂直于层错 面
弗兰克不全位错的形成：在完整晶体中局部抽出
或插入一层原子所形成。（只能攀移，不能滑
移。）
抽去一层密排面形成的弗兰克不全位错
Negative（负） Frank
a b 3 111
可以是纯刃型，也可以是纯螺型或混合型。
（2）肖克利不全位错可以在其所在的{111}面上滑
移，滑移的结果使层错扩大或缩小。 (3)但是，即使是纯刃型的肖克利不全位错也不能攀 移，这是因为它有确定的层错相联，若进行攀移， 势必离开此层错面，故不可能进行。
(2) Frank不全位错 (Frank partial dislocation):
六、实际晶体结构中的错位
1、实际晶体中位错的伯氏矢量
实际晶体中位错的伯氏矢量不是任意的，必须符合晶体 的结构条件和能量条件 结构条件：伯氏矢量大小与方向，必须连接一个原子平 衡位置到另一个原子平衡位置
能量条件：位错能量E∝b2 , 伯氏矢量越小越稳定
基本概念：单位位错 ( dislocation): 全位错(perfect dislocation): 不全位错(部分位错 partial dislocation)
四面体的4个面即为4个可能的滑移面：
(111), ( 1 11), (1 1 1), (11 1 )
四面体的6个棱边代表12个晶向，即为面心 立方晶体中全位错12个可能的伯氏矢量。
每个面的顶点与其中心的连线代表24个1/6＜ 112＞型的滑移矢量，它们相当于面心立方晶 体中可能的24个肖克利不全位错的伯氏矢量。
DC=D+ C
该扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当扩展位错 中的一个不全位错到达交线BC时，发生位错反应：
1 1 1 [ 1 21] [2 1 1 ] [110] 6 6 6
C
+
C

新位错1/6[110]的伯氏矢量在（001）面上，滑移 面是（001），因此是固定的纯刃型位错。 另外，它还带着两片分别位于（111）和（11－1） 面上的层错以及两个不全位错，在两个（111）面 的面角上，这种由于三个不全位错和两片层错构 成的位错组态称为Lomer－Cottrell位错
不全位错
把伯氏矢量不等于点阵矢量的位错称为
“不全位错”，或称为“部分位错”
1 [ 211] 6
1 [1 2 1] 6
2. 堆垛层错
正常堆垛顺序 FCC：ABCABC·· ·· ·· HCP：ABABAB·· ·· ·· 堆垛层错（stacking fault）：上述正常堆垛顺序遭到破坏 或错排，有两类： （1）抽出型层错 （2）插入型层错
1 b AB [ 1 10] 2
1 1 1 [ 1 10] [ 211] [ 1 2 1 ] 2 6 6
C B B
[112]
扩展位错：一对不全位错及中间夹的层错 Extended dislocation
A B
A
b1 C
b b2
A B A
B A
A
1 b: [ 1 10] 2 1 b1 : [ 2 11] 6 1 b2 : [ 1 2 1 ] 6
扩展位错的交滑移过程
（3）位错网络Dislocation network
实际晶体中存在几个b位错时会组 成二维或三维的位错网络
（4）面角（Lomer－Cottrell）位错：
两全位错，在外力作用下滑移后：
[1]在两个面交线发生反应进行洛玛反应
[2]在各自面分解 形成扩展位错
[3]两扩展位错移动反应形成压杆位错。
第 三 章 晶 体 缺 陷 （六）
——实际晶体结构中的位错
烟台大学 秦连杰 E-mail：lianjieqin@
六、实际晶体结构中的位错
已知为使位错自身能量最低，大多数晶体中的全 位错的柏氏矢量是最短的平移矢量，如，简单立方为 a<100> ，面心立方为a<110>/2，体心立方的 a<111>/2 ，密排六方的 a<1120>/3 。
六、实际晶体结构中的位错
单位位错：伯氏矢量等于单位点阵矢量的位错
典型晶体结构中单位位错的伯氏矢量
全错位