2.2 位错的基本概念

2.2 位错的基本概念

晶体中的线缺陷是各种类型的位错。其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为3—5个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。虽然位错种类很多，但最简单，最基本的类型有两种：一种是刃型位错，另一种是螺型位错。位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑变、扩散、相变等影响显著。

一位错学说的产生

位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。

意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）

人们很早就知道金属可以塑性变形，但对其机理不清楚。在位错被提出之前，人们对晶体的塑性变形作了广泛的研究。实验发现在塑性变形的晶体表面存在大量的台阶，因此，提出了塑性变形是通过晶体的滑移来实现的观点。晶体的滑移过程如图1所示。根据晶体塑性变形后台阶产生的方向，发现滑移总是沿着某些特定的晶面和晶体学方向进行的。这些晶面被称为滑移面；晶体学方向被称为滑移方向。一个滑移面和其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。当外界应力达到某一临界值时，滑移系才发生滑移，使晶体产生宏观的变形，将这个应力称之为临界切应力。本世纪初到30年代，许多学者对晶体塑变做了不少实验工作。1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型，假定滑移时滑移面两侧晶体象刚体一样，所有原子

τ＝G／2π(G为切变模量)，与实验结果相比相差3—4同步平移，并估算了理论切变强度

m

τ值也为G／30，仍与实测临个数量级，即使采用更完善一些的原子间作用力模型估算，

m

界切应力相差很大。这一矛盾在很长一段时间难以解释。1934年泰勒(G．I．Tayor)，波朗依(M.Polanyi)和奥罗万(E．Orowan)三人几乎同时提出晶体中位错的概念。泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移过程，如图2。与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。在这之后，人们对位错进行了大量研究工作。1939年柏格斯(Burgers)提出用柏氏矢量来表征位错的特性的重要意义，同时引入螺型位错。1947年柯垂耳(A. H．Cottrell)利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。1950年弗兰克(Frank)与瑞德(Read)同时提出了位错增殖机制F—R位错源。50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在（图3）、运动、增殖…。这一系列的研究促进了位错理论的形成和发展。

图1 晶体滑移示意图

图2 刃位错的滑移

图3 电子显微镜下观察到的位错线

二位错的基本类型

位错的几何组态较为复杂，近年来用高分辨电子显微镜已观察到位错附近的原子排列情况。这已超出本教材的内容。为研究方便起见，我们仍用理想的完整晶体来模仿位错的形成过程，以加深对位错几何模型的理解，并作为我们认识位错的基础。位错有两种基本类型：刃型位错和螺型位错。

1 刃型位错

从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界。下面我们根据这种位错的定义来了解位错的组态。如图4示意了晶体中形成刃型位错的过程。图中原为一块长方形的完整晶体，其三棱边与直角坐标重合。将晶体沿平行于xoz面的ABCD割至EF，其割开面为EFCB。将割口上下两部分晶体沿-x方向相对滑移一个原子间距d，再将两部分晶体胶合起来，并消除外力。EF为已滑移区EFCB与未滑移区EFDA的分界线。EF就是线缺陷——刃型位错。割开面ABCD就是滑移面，滑移矢量为d，其方向为-x，与EF垂直。这种位错在晶体中有一个多余半原子面。EF是多余半原子面和滑移面的交线，与滑移方向垂直，像一把刀刃，所以称为刃位错。

图4 晶体中刃位错形成示意图

位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小。一般说来，位错是以位错线为中心，晶体畸变超过20%的范围。习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错，用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。

2 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。

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。就正刃型位错而言，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。但该区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。

刃型位错如图5所示。设有一简单立方结构的晶体，在某一水平面(ABCD)以上多出了垂直方向的原子面EFGH，它中断于ABCD面上EF处，犹如插入的刀刃一样，EF称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错”。

图5 (a) 立体模型 (b) 主视图

3 螺型位错

仿照刃型位错的做法，将晶体沿ABCD割开至EF，将割口上下两部分晶体沿-z轴方向相对滑移一个原子间距d，再胶合好。EF就是螺型位错，如图6，EF为已滑移区EFCB与未滑移区EFAD的分界线。就是线缺陷——螺型位错。割开面ABEF就是滑移面，滑移矢量为d，其方向平行与-z轴，与EF平行。EF周围的原子面形成以EF为轴线的螺卷面。

图6 螺位错形成示意图

螺型位错如图7所示。设想在简单立方晶体右端施加一切应力、使右端滑移面上

下两部分晶体发生一个原子间距的相对切变，于是在已滑移区与末滑移区的交界处，BC

线与aa'线之间上下两层相邻原子发生了错排和不对齐现象，如图7(a)。顺时针依次连

结紊乱区原子，就会画出一螺旋路径，如图7(b)，该路径所包围的呈长的管状原子排列

的紊乱区就是螺型位错。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型位错，符合左手法则称左旅螺型位错。图7为右旋螺型

位错。