第3章晶体缺陷(位错)b-yao

τ
τ
τ
位错滑移的比喻
透射电镜下观察到的位错线
3.3.1 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。
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。
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，AB线两侧的上下 两层原子发生了错排和不对齐现象，它们围绕着AB线连 成了一个螺旋线，而被AB线所贯穿的一组原来是平行的 晶面则变成了一个以AB线为轴的螺旋面。 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。
(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
1.滑移现象
如果对经过抛光的退 火态工业纯铜多晶体 试样施加适当的塑性 变形，然后在金相显 微镜下观察，就可以 发现原抛光面呈现出 很多相互平行的细线。
图 工业纯铜中的滑移线
在普通金相显微镜中发现的滑移线其实由多条平行的 更细的线构成，现在称前者为滑移带，后者为滑移线。
{110 } {112 } {123 }
图 bcc晶体{110}、{112} 和{123}面的滑移系
3 滑移的机理
滑移变形的特点：
（1）滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上 密度最大的晶向（密排方向）进行。 （2）滑移只能在切应力的作用下发生。 （3）滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离 为原子间距的整数倍。
混合位错的形成
混合位错示意图
Mixed Dislocation 混合位错
Screw Dislocation
Edge Dislocation
Has both edge and screw character .
From J.F. Shackelford, Introduction to M aterial Science for Engineers, M acM illan Publishing C o, N ew Y ork, N Y , 1985
2.滑移系
晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，我 们将其称为滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向，这是由于 最密排面的面间距最大，因而点阵阻力最小，容易发生滑移，而沿最 密排方向上的点阵间距最小，从而使导致滑移的位错的柏氏矢量也最 小。 每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系，滑移系表明 了晶体滑移时的可能空间取向。 滑移系数目与材料塑性的关系 ① 一般滑移系越多，塑性越好； ② 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关； ③ 与同时开动滑移系数目有关（c）。
图 滑移带形成示意图
单晶体金属的塑性变形 --滑移
滑移变形是不均匀的，常集中 在一部分 晶面上 ， 而处于 各滑移带 之间的晶 体没有 产生滑移， 滑移带的发展过程，首先是出 现细滑移 线 ，后来 才发展 成 带 ， 而 且 ，滑移 线的数 目随应变 程度的增 大而增 多， 它们 之间的距 离则在 缩短。
Edge Dislocation 刃型位错
Contains an additional plane of atoms which extends indefinitely along the crystal
多余原子面
位错线
正刃型位错
负刃型位错
刃型位错的特点： ⑴ 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。
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。
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。
Edge dislocation
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
Screw dislocation
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
• Edge dislocation: Burger’s vector perpendicular to dislocation line • Screw dislocation: Burger’s vector parallel to dislocation line • Mixed dislocation: Orientation of Burger’s vector with respect to dislocation changes with position
Mixed Dislocation 混合位错
Mixed Dislocation 混合位错
4. 柏氏矢量 （ Burgers vector ） （1）柏氏矢量的确定方法 先确定位错的方向（习惯上常将位错线由里向外， 由左向右，由下向上定为正向），按右手法则做柏氏回 路，右手大拇指方向指向位错线方向，其余四指方向为 柏氏回路方向。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。
· 交滑移
Cu不易 交滑移， 无波纹 状滑移 带
Al易交 滑移， 产生波 纹状滑 移带
滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。
3.2 位错 Dislocation,位错是原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的一种特殊组态，是一种 具有特殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷。 位错概念的提出 用于解释晶体的塑性变形。
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
Geoffrey Taylor爵士1934年提出位错的概念
位错线
螺型位错的特点： ⑶ 螺型位错线周围的点阵只有平行于位错线的切应变而无正 应变，即不会引起体积膨胀和收缩，在垂直于位错线的方 向看不出有缺陷。 ⑷ 螺型位错周围的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。
螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况
刃型位错与螺型位错示意图
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：是穿过截面的位错数；是截面面积。 位错密度的单位是cm-2。
3.3.2 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。
刃型位错线可以是任何形状
刃型位错的特点： ⑵ 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，
由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因
此，由它们所构成的滑移面只有一个。
刃型位错的特点：
⑶ 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。
⑷ 在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均
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。
（3）交滑移
· 交滑移是指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑 移。交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从 一个滑移面滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。
· 如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带
交叉形的滑移带
（3）交滑移
· 交滑移是指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑 移。交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从 一个滑移面滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。
（4）滑移是晶体内部位错在切应力下作用的结果
几种金属晶体的实验及理论临界分切应力
(二)单滑移、多滑移和交滑移
（1）单滑移 。 （ 2）多系滑移：
单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的位臵而优 先开动时，形成单滑移。
由于变形时晶体转动的结果，有两组或几组滑移面同时转 到有利位向，使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时或交 替地进行，形成“双滑移”或“多滑移”。 此时，外力对两个滑移系的取向因子完全相同。
（1）fcc滑移系
滑移方向<110>，滑移面一般为{111} 面心立方结构共有四个不同的 {111} 晶面，每个滑移 面上有三个<110>晶向，故共有4×3=12个滑移系。
（2）bcc 由于体心立方结构是一种非密排结构，因此其滑移面并不 稳定，一般在低温时多为{112}，中温时多为{110}，而高 温时多为{123}，不过其滑移方向很稳定，总为<111>，因 此其滑移系可能有12-48个。 6 2 12 1 24 1 48
（2）位错类型的确定
b
b
L positive 确定刃位错正负的右手法则
L
negative
Edge dislocations
（2）位错类型的确定
right-handed
left-handed Mixed dislocation
Screw dislocations
（2）柏氏矢量的物理意义及特征
柏氏矢量是位错的最基本特征，也是位错独特的性质。对 于其它晶体缺陷，都不存在柏氏矢量。如果围绕一晶体缺陷作 一柏氏矢量，与理想完整晶体相比较，若柏氏矢量不为零，则 此回路所包围的缺陷一定是位错，否则反之。 b的大小和方向还反映了该位错引起晶体中原子错排的程度 和错排在晶体中的取向。b代表了位错所引起畸变的总和。通常 将柏氏矢量的模∣b∣称为位错的强度。
螺型位错示意图
（a）与螺位错垂直的晶面的形状
（b）位错线上原子 的螺旋型排列
一个螺位错附近的晶面排列情况
螺型位错的特点： ⑴ 螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。螺型位错线 与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方 向与晶体滑移方向互相垂直。 ⑵ 纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平 面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些 原子密排面上进行。
材料科学基础B
第三章晶体缺陷(位错）
姚宝殿
上海工程技术大学材料学院 yaobd@sues.edu.cn Tel. 67791474 Room 1615
主要内容
位错：位错的基本类型、位错的运动、位错的弹 性性质、位错的来源和位错的增殖； 面缺陷：晶界与亚晶界。
重点内容
1.位错线、位错移动方向、滑移面、切应力方向、 柏氏矢量之间的关系。 2.柏氏矢量的确定。 3.位错的应变能。 4.位错的来源。
• 柏氏矢量守恒： • ①同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。 • ②位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其 他位错，在位错网的交汇点，必然
5.位错密度
位错密度是指单位体积内位错线的总长度。 其表达式为 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。