无机材料科学基础--4位错

2. 螺型位错
设想在简单立方晶体右端施加一切应力，使右端ABCD滑移面 上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切变，在已滑移区与未 滑移区的交界处，两侧的上下两层原子发生了错排和不对齐现象， 这个过渡区内的上下二层的原子相互移动的距离小于一个原子间 距，因此它们都处于非平衡位置。这个过渡区就是螺型位错，也 是晶体已滑移区和未滑移区的分界线。之所以称其为螺型位错， 是因为如果把过渡区的原子依次连接起来可以形成“螺旋线”。 此种晶格缺陷被称为螺型位错。螺旋位错分为左旋和右旋。 以大拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转 方向，符合右手法则的称右旋螺旋位错，符合左手法则的称左旋 螺旋位错。
混合位错
2. 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
刃型位错的攀移 (b)原始位置
(c)负攀移
攀移伴随物质迁移，需要较高能量； 作用于攀移面的正应力、过饱和空位等都有助于攀移。
攀移与滑移区别：
1）攀移伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激话， 比滑移需更大能量。 2）低温攀移较困难，高温时易攀移。在许多高温过程如蠕 变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。 3）攀移通常会引起体积的变化，故属非保守运动。 4）作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。 压应力将促进正攀移，拉应力可促进负攀移。 5）晶体中过饱和空位也有利于攀移。
2.位错的增殖 在晶体塑性变形过程中，有大量的位错滑移出 晶体表面而消失，晶体中位错数量按理将越来越少， 但是实验表明，塑性变形过程中位错的数量不仅没 有减少，反而大大增加了，这表明，位错在以某种 方式进行增殖，这个能增殖位错的地方就是位错源。 位错增殖模型： ①L型位错滑移增殖 ②F－R源增殖 ③双交滑移增殖模型 ④位错攀移增殖模型(正攀移 负攀移)
目录
• • • • • 概述 位错基本类型 位错描述—伯格斯矢量 位错的运动 位错的形成与增殖
位
• 位错（dislocation） 是一种线缺陷 , 它是晶体 中某处一列或若干列原子 发生了有规律错排现象； 错排区是细长的管状畸变 区 , 长度可达几百至几万 个原子间距 , 宽仅几个原 子间距。如右图是位错的 一种。 • 特点:在一维方向的 尺寸较长，另外二维方向 上尺寸很小，从宏观看缺 陷是线状的。从微观角度 看，位错是管状的。
1926年，弗兰克（ Frankel） 从刚体滑移模型出发，推算 晶体的理论强度。 晶体的理论切变强度：
G m 2
一般金属： τm=104~105MPa 实际金属单晶： 1~10MPa
• 理论切变强度与实际切变强度间的巨大差异： • 从根本上否定理想完整晶体的刚性相对滑移的假 设，即实际晶体是不完整的，而有缺陷的。 • 滑移也不是刚性的，而是从晶体中局部薄弱地区 (即缺陷处)开始，而逐步进行的。
• 6）螺位错形成后，所有原来与位错线相垂直的晶 面，都将由平面变成以位错线为中心轴的螺旋面。
与螺位错垂直的晶面的形状
螺型位错和刃型位错的结构特征对比
无额外的半原子面，原子错 排呈轴对称，分右旋和左旋 螺型位错； 一定是直线，与滑移矢量平 行，位错线移动方向与晶体 滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺 型位错线的平面都可以作为 它的滑移面； 位错周围点阵也发生弹性畸 变，但只有平行于位错线的 切应变而无正应变，即不引 起体积的膨胀和收缩； 位错畸变区也是几个原子间 距宽度，同样是线位错。 刃形位错有一个额外半原 子面; 刃形位错线是一个具有一 定宽度的细长晶格畸变管 道,其中既有正应变,又有 切应变; 位错线与晶体滑移的方向 垂直,即位错线运动的方向 垂直于位错线
透射电镜下观察到的位错线
位错的基本类型
1. 刃型位错
设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用 下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方 向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生 了缺陷，这就是位错，这种位错在晶体中有一个刀 刃状的多余半原子面，所以称为刃型位错。 通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型 位错，用符号“┴”表示，反之为负刃型位错，用 “┬”表示。
(a)
(b) 刃型位错的滑移
(c)
τ
滑移面
τ
滑移台阶
位错滑移的比喻
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低移动了一个 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。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。
螺型位错特点
• 1）无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 • 2）螺位错线一定是直线，且位错线的移动方向与晶体滑 移方向互相垂直。 • 3）纯螺位错滑移面不唯一。凡包含螺型位错线的平面都 可为其滑移面，故有无穷个，但滑移通常在原子密排面上， 故也有限。
• 4）螺位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行 于位错线的切应变。 • 5）螺位错周围点阵畸变，随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺 陷。
弗兰克-瑞德源（Frank-Read Source）.
3.位错的塞积
位错的塞积：在切应力作用下由同一个位错源放出的位错 在障碍前受阻，这个源放出的位错在障碍前排列起来，这一位 错组态称为位错的塞积。
小
基本概念：
结
刃型位错、螺型位错、位错密度、滑移、攀移
刃型位错和螺型位错的特征。 柏氏矢量的确定。 理解滑移的过程及刃型位错和螺型位错滑移的 特点。 位错的形成与增殖
错
位错理论是现代物理冶 金和材料科学的基础。
• 位错是晶体中普遍存在的一种线缺陷，它对晶体 生长、相变、塑性变形、断裂及其它物理、化学 性质具有重要影响。 • 位错概念并不是空想的产物，相反，对它的认识 是建立在深厚的科学实验基础上。 人们最早提出对位错的设想，是在对晶体强度作 了一系列的理论计算，发现在众多实验中，晶体 的实际强度远低于其理论强度，因而无法用理想 晶体的模型来解释，在此基础上才提出来的。
• 2）刃位错线不一定是直线，也可是折线或曲线或环。但必与滑移方 向相垂直，也垂直于滑移矢量b。
• •
3）刃位错存在晶体中，使其周围点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正 应变。 正刃位错：滑移面上方点阵受压应力，下方点阵受拉应力。负刃型位错与此 相反。
• 4）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。但只有2～5个原子间距宽，呈狭长的管道。
1. 位错的滑移 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，就使位错由位臵(a)移动到位臵(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t互相垂直，故 滑移面为b与t 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。
待变形晶体
弹性变形
出现位错
位错迁移
晶体的逐步滑移
晶体形状改变，ffrey Taylor爵士1934年从晶体学角度提出位错概念。 特别是，把位错和晶体塑性变形联系起来，开始建立并逐步 发展了位错理论。
τ
τ
τ
1950年后，电子显微镜实验技术的发展， 才证实了位错的存在及其运动。
位错的运动
位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。 在一定的切应力的作用下，位错在滑移面上受 到垂至于位错线的作用力。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。 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。 滑移：体积不变，保守运动。 攀移：体积变化，非保守运动。
EF：位错线 ABCD：滑移面
刃型位错结构特点
• 1）有一个额外半原子面，晶体上半部多出原子面的位错称正刃型位 错，用符号“⊥”表示，反之为负刃型位错，用“ㄒ”表示。 • 此正、负之分只具相对意义而无本质区别。 • 如将晶体旋转180°，同一位错的正负号发生改变。
刃形位错平面示意图 正刃型位错－⊥ 负刃型位错－ㄒ
位错的滑移特征
位错 类型 柏氏 矢量 位错线 运动方向 晶体滑移 切应力 滑移面 方向 方向 数目
刃型 位错
螺型 位错
⊥位错线
∥位错线
⊥位错线本身 与b一致
⊥位错线本身 与b一致
与b一致 唯一 确定 与b一致 多个
位错的形成和增殖
1. 位错的形成 （1）过饱和的空位凝聚，崩塌产生位错环。 （2）晶体结晶过程中形成。 （3）当晶体受到力的作用，局部地区会产 生应力集中形成位错。
TEM下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2) 的位错线与位错缠结
位错概念的提出： 用于解释晶体的塑性变形。
钴单晶形变扫描电镜图
位错的观察 KCl晶体是透明的，用 杂质辍饰后可以见到 白色的“位错”。
氟化锂表面浸蚀出的 位错露头的浸蚀坑
TEM观察到的位错 与第二相相互作用
TEM观察到的钛合金 中的位错
3. 混合位错
如果局部滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑 移范围，滑移区和未滑移区的交界为曲线AB，在A处，位 错线和滑移方向平行，是纯螺型位错；在B处，位错线和 滑方向垂直，是纯刃型位错。其他AB上的各点，曲线和 滑移方向既不垂直又不平行，原子排列介于螺型和刃型 位错之间，所以称为混合型位错。
位错描述——柏氏矢量
（1）柏氏矢量的确定方法
先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸 面时，由纸面向外为正），按右手法则做柏氏回 路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手 螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子M 出发， 避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路MNOPQ， 回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶 体中做同样回路，步数，方向与上述回路一致， 这时终点 Q 和起点 M 不重合，由终点Q 到起点M 引一矢量QM 即为柏氏矢量b。柏氏矢量与起点的 选择无关，也与路径无关。
O
N
O
N
Q
Q
M
P
P
M
刃型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体
柏氏矢量
柏氏矢量
螺型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体
（2）柏氏矢量的物理意义及特征
柏氏矢量是描述位错实质的重要物理量。反 映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累 计。通常将柏氏矢量称为位错强度，它也表示出 晶体滑移时原子移动的大小和方向。 柏氏矢量具有守恒性。 推论：一根不可分叉的任何形状的位错只有 一个柏氏矢量。 利用柏氏矢量b与位错线t的关系，可判定位 错类型。 若 b∥t 则为螺型位错。 若 b⊥t 为刃型位错。
位错密度 位错密度是指单位体积内位错线的总长度。
LV L / V
式中：LV是体位错密度； L是位错线的总长度； V是晶体的体积。
经常用穿过单位面积的位错数目来表示位错密度。
A n / A
式中：n是穿过截面的位错数；A是截面面积。 位错密度的单位是cm-2。
思考 如图，位错环的柏氏矢量正好处于滑移面 上。（1）判断各段位错线的性质。（2） 在图中所示切应力的作用下，位错线将如 何移动。（3）该位错环运动出晶体后，晶 体的外形将发生怎样的改变。