实际晶体结构中的位错ppt课件.ppt

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1、第4章 实际晶体结构中的位错,4.1 实际晶体中位错的分类4.2 实际晶体中位错的柏氏矢量4.3 位错反应4.4 面心立方晶体中的位错4.5 体心立方晶体中的位错4.6 密排六方晶体中的位错,4.1 实际晶体中位错的分类,简单立方晶体中位错的柏氏矢量b总是等于点阵矢量。但实际晶体中，位错的柏氏矢量b除了等于点阵矢量外，还可能小于或大于点阵矢量。通常把柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为“单位位错”；把柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为“全位错”，全位错滑移后晶体原子排列不变；把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为“不全位错”，不全位错滑移后原子排列规律发生变化。,实际晶体结构中，位错的柏

2、氏矢量不能是任意的，它要符合晶体的结构条件和能量条件。晶体的结构条件是指柏氏矢量必须连接一个原子平衡位置到另一平衡位置。从能量条件看，由于位错能量正比于b2，b越小越稳定，即单位位错是最稳定的位错。 柏氏矢量b的大小和方向用b=Cuvw表示，其中：C为常数，uvw为柏氏矢量的方向，柏氏矢量的大小为： 。表4.1给出典型晶体结构中，单位位错的柏氏矢量及其大小和方向。,4.2 实际晶体中位错的柏氏矢量,表4.1 典型晶体结构中单位位错的柏氏矢量,位错反应就是位错的合并(Merging)与分解(Dissociation)，即晶体中不同柏氏矢量的位错线合并为一条位错线或一条位错线分解成两条或多条柏氏矢

3、量不同的位错线。 位错使晶体点阵发生畸变，柏氏矢量是反映位错周围点阵畸变总和的参数。因此，位错的合并实际上是晶体中同一区域两个或多个畸变的叠加，位错的分解是晶体内某一区域具有一个较集中的畸变，松弛为两个或多个畸变。,4.3 位错反应(Dislocation Reaction),A 几何条件 根据柏氏矢量的守恒性，反应后诸位错的柏氏矢量之和应等于反应前诸位错的柏氏矢量之和，即 （4-1）B 能量条件 从能量角度要求，位错反应必须是一个伴随着能量降低的过程。由于位错的能量正比于其柏氏矢量的平方，所以，反应后各位错的能量之和应小于反应前各位错的能量之和，即 （4-2） 分析位错反应时，一般先用几何条

4、件确定位错反应是否可以进行，然后再利用能量条件来判定位错反应的方向。,位错反应能否进行，取决于下列两个条件：,4.4 面心立方晶体(Face-centered Cubic Crystal)中的位错,4.4.1 堆垛层错(Stacking Fault),图4.1 面心立方晶体中（111）面的正常堆垛,图4.1是面心立方晶体密排面（111）的正常堆垛示意图。,在面心立方晶胞中，表示了A、B、C三个相邻的（111）面上的原子分布。（a）、（b）、（c）三图分别表示了A层、AB两层及ABC三层原子面的堆垛情况。如果把原子中心投影到（111）面，可见三层相邻面上的原子中心在（111）面上的投影位置并不相

5、同，如图4.1（c）所示。底层为A层，表示B层原子中心的投影位置，表示C层原子中心的投影位置。如果把单位晶胞(Unit Cell)中通过坐标原点O的（111）面上的原子，也作如上投影，那么可以看到，该面上原子中心投影位置与C层原子中心投影位置是相同的。由于晶体点阵的对称性和周期性，面心立方晶体（111）密排面上的原子在该面上的投影位置是按A、B、C三个原子面的原子投影位置进行周期变化的。可以记为：ABCABCA，这就是面心立方晶体密排面的正常堆垛顺序。如果用记号表示原子面以AB、BC、CA顺序堆垛，表示相反的顺序，如BA、AC、CB，那么面心立方晶体密排面的正常堆垛又可以表示为：，如图4.1（

6、d）所示。,实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排，称为堆垛层错，简称层错。,图4.2表示面心立方晶体形成堆垛层错的方式。,图4.2 面心立方晶体中的堆垛层错（a）抽出型；（b）插入型,若将正常堆垛顺序变成ABCBCA（即），其中箭头所指相当于抽出一层原子面（A层），故称为抽出型层错，如图4.2（a）所示。 若在正常堆垛顺序中插入一层原子面（B层），即可表示为ABCBABC，相当于抽出A、C两层，可表示为ABCBABC（即），其中箭头所指的为插入B层后所引起的二层错排，称为插入型层错，如图4.2（b）所示。两者对比可知, 一个插入型层错相当于两个抽出型层错。,形成层错时几乎不

7、产生点阵畸变，但它破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部分增加的能量称为堆垛层错能，用 表示。从能量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能有关，层错能越高，则出现层错的几率越小。如在层错能很低的奥氏体不锈钢中，常可看到大量的层错，而在层错能高的铝中，就看不到层错。,4.4.2 不全位错(Partial Dislocation),若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点阵矢量的不全位错。在面心立方晶体中有两种重要的不全位错：肖克莱（Shockley）不全位错和弗兰克（Fran

8、k）不全位错。A 肖克莱(Shockley)不全位错 图4.4为肖克莱不全位错的刃型结构。,图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错,上半图是面心立方晶体的（0 1）面，圆圈代表前一个面上原子排列的位置，黑点代表后一个面上原子排列的位置。原子的连线看起来似乎是一个平面上的菱形，实际上是一前一后两个平面上相邻原子的连线。,上半图是面心立方晶体的（0 1）面，圆圈代表前一个面上原子排列的位置，黑点代表后一个面上原子排列的位置。原子的连线看起来似乎是一个平面上的菱形，实际上是一前一后两个平面上相邻原子的连线。 下半图是把上半图中A层与C层在（111）面上作投影。分层使用了不同的符号，代表A层，

9、原子呈密排，代表紧接A层之下的C层，也是密排的。让A层的右半部滑移至B层原子的位置，其上部的各层也跟着移动，但滑移只限于一部分原子，即右半部原子。于是右半部的滑移面上发生了层错，左半部则没有移动，所以也没有层错，在两者的交界处发生了原子的严重错排，图中滑移后的原子位置用虚线连接。,图4.4,下半图是把上半图中A层与C层在（111）面上作投影。分层使用了不同的符号，代表A层，原子呈密排，代表紧接A层之下的C层，也是密排的。让A层的右半部滑移至B层原子的位置，其上部的各层也跟着移动，但滑移只限于一部分原子，即右半部原子。于是右半部的滑移面上发生了层错，左半部则没有移动，所以也没有层错，在两者的交界

10、处发生了原子的严重错排，图中滑移后的原子位置用虚线连接。,图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错,不全位错可以认为就在上半部的图中的A层上的两个星号之间，此时在下半图上看到对应的滑移后的A层原子位置，在用虚线连接起来的六角形中，越接近位错的部分畸变越大 。,上半图中左边的晶体按ABCABC正常顺序堆垛，而右边晶体是按ABCBCAB顺序堆垛，即有层错存在，层错与完整晶体的边界就是肖克莱位错，它位于一个平面上。图中下半部的右上角处的箭头符号即为不全位错的柏氏矢量 ，它与位错线互相垂直，因此它是纯刃型的肖克莱不全位错。,不全位错可以认为就在上半部的图中的A层上的两个星号之间，此时在下半图上看

11、到对应的滑移后的A层原子位置，在用虚线连接起来的六角形中，越接近位错的部分畸变越大 。 上半图中左边的晶体按ABCABC正常顺序堆垛，而右边晶体是按ABCBCAB顺序堆垛，即有层错存在，层错与完整晶体的边界就是肖克莱位错，它位于一个平面上。图中下半部的右上角处的箭头符号即为不全位错的柏氏矢量 ，它与位错线互相垂直，因此它是纯刃型的肖克莱不全位错。,图4.4,根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯刃型的，也可以是纯螺型的，见图4.5。,图4.5 面心立方晶体中的纯螺型肖克莱不全位错,实线相连的位置代表滑移前的位置，虚线相连的代表滑移后的位置，滑移只在图中下半部进行，交界区域则是一段纯螺型

12、的肖克莱不全位错。,肖克莱位错还可以是混合型的，见图4.6。,图4.6 面心立方晶体中的混合型肖克莱不全位错,肖克莱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，但是即使是纯刃型的肖克莱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。,B 弗兰克(Frank)不全位错,图4.7为抽出半层密排面形成的弗兰克不全位错。抽去B层的右边一部分而让其上面的C层垂直落下来，由于B层的右边部分抽去而左边部分没有抽去，靠近层错的边沿位置的原子畸变大，但远离边沿的原子由于垂直落下，故原子排列虽发生层错，但仍处于密排位置，并不发生畸变。这些畸变处的原

13、子即组成不全位错。,图4.7 抽出半层密排面形成的弗兰克不全位错,图4.8 插入半层密排面形成的弗兰克不全位错,图4.8为插入半层密排面形成的弗兰克不全位错。在右半部的A、B层之间插入一部分C层原子，构成不全位错。,与抽出型层错相联系的不全位错称为负弗兰克不全位错，而与插入型层错相联系的不全位错称为正弗兰克不全位错。它们的柏氏矢量都属于 ，且都垂直于层错面111，但方向相反。弗兰克不全位错属纯刃型位错，这种位错不能在滑移面上进行滑移运动，否则将使其离开所在的层错面，但能通过点缺陷的运动沿层错面进行攀移，使层错面扩大或缩小，所以弗兰克不全位错又称不滑动位错或固定位错，而肖克莱不全位错则属于可动位

14、错。,C 两种不全位错的特征,不全位错的一个重要特征就是它的柏氏矢量。求不全位错的柏氏矢量方法和求全位错的柏氏矢量方法相似。首先，设定一个位错线的方向，如从纸后走向纸面。然后，环绕这个不全位错做一个柏氏回路，回路的方向服从右手螺旋法则。但必须注意不全位错所在晶体中的回路必须从堆垛层错上出发，而在全位错的晶体中的回路却可以从任何点出发，只要不碰到缺陷即可。,图4.9为肖克莱不全位错，可见作为参考的完整晶体的回路的最后一步，就是肖克莱位错的柏氏矢量。肖克莱位错的矢量方向只与滑移面的上半晶体受压或受张情况有关，而与层错位于位错线之左或之右无关。,图4.9 肖克莱刃型位错的柏氏回路和矢量,图4.10为

15、正弗兰克不全位错，图中画的是一个堆垛层错在位错线之右的刃型位错，柏氏矢量方向向下，即 。若堆垛层错在位错线之左，则柏氏矢量方向向上，即 。,图4.10 正弗兰克位错的柏氏回路和矢量,应当指出，在图4.10的完整晶体中，柏氏回路自1走到6后，并不是把6与1直接连接起来，因为在有位错的晶体中，6至1的连线与1至2的连线对称于通过1的水平线，所以在参考晶体中也要使6至7的连线和1至2的连线成为对称，于是最终的代表柏氏矢量的从7至1的闭合线段为垂直于水平方向的线 。同理，也可以求得负弗兰克位错的柏氏矢量。,1）不全位错的四周不完全是完整的结构，有一部分有 层错；2）不全位错的柏氏回路必须从层错开始，回

16、路最后还 要穿过层错；3）不全位错的柏氏矢量不是完整的最短点阵矢量；4）不全位错的柏氏矢量也有守恒性。,总结不全位错的柏氏矢量的特点如下：,两种不全位错都只能在层错面上存在，它们的运动也限制在这个面上。肖克莱位错可以滑移，但不能攀移；弗兰克位错则相反。但要注意，纯螺型的肖克莱位错不能交滑移，只能在层错面上滑移。弗兰克位错只有刃型的，其柏氏矢量与滑移面垂直，只能攀移，而且是在密排面上攀移，而不是垂直于密排面攀移。面心立方晶体中两种不全位错的特征见表4.2。,表4.2 面心立方晶体中两种不全位错的特征,4.4.3 扩展位错 (Extended Dislocation),A 汤普森（Thompson

17、）记号 如图4.11所示，在面心立方点阵中取出单位晶胞的小四面体，见图4.11（a）。将D取在单位晶胞的原点（0，0，0），A取在（1/2，1/2，0），B取在（1/2，0，1/2），C取在（0，1/2，1/2）。以A，B，C，D为顶点连成一个由4个111面组成的，且其边平行于方向的四面体，这就是汤普森四面体。如果以，分别代表与A，B，C，D点相对面的中心，见图4.11（b）。把4个面以三角形ABC为底展开，得图4.11（c）。,图4.11 汤普森四面体及记号,1) 四面体的4个面为111晶面族构成。2) 四面体的6个棱边代表12个 晶向，即为面心立方晶体中12个全位错的柏氏矢量。3) 每个面

18、的顶点与其中心的连线代表24个 型的滑移矢量，相当于面心立方晶体中的24个肖克莱不全位错的柏氏矢量。4) 4个顶点到它所对的三角形中心点的连线代表8个 型的滑移矢量，相当于面心立方晶体中的8个弗兰克不全位错的柏氏矢量。5) 4个面的中心连线即 为 型的压杆位错。,由图4.11可知：,有了汤普森四面体，面心立方晶体中各类位错反应尤其是复杂的位错反应都可极为简便地用相应的汤普森记号来表达。,图4.12 全位错分解示意图,B 扩展位错,面心立方晶体中能量最低的全位错是处在111面上的柏氏矢量为 的单位位错。若单位位错 在切应力作用下沿着(111)晶面的 方向滑移时，则原子从B1位置滑动到相邻的B2位

19、置，需要越过A层原子的“高峰”，这需要提供较高的能量，见图4.12。,但如果滑移分为两步，先从B1位置沿A原子间的“低谷”滑移到邻近的C位置，即 ；然后再由C位置滑移到B2位置，即这种滑移比较容易。显然，第一步滑移造成了层错，层错区与正常区之间必然会形成两个不全位错。也就是说，全位错的运动由两个不全位错的运动来完成，即 。,这个位错反应从几何条件和能量条件来判断均是可行的，如下所示：几何条件为： ，能量条件为： 均满足，能反应。通常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位错组态称为扩展位错，图4.13即为 扩展位错的示意图。,图4.13 面心立方晶体中的扩展位错,扩展位错的宽度

20、d可以根据两个肖克莱不全位错间的斥力与位错的层错能平衡求得：,（4-3）,K一与全位错类型有关的常数； 一全位错线与它的柏氏矢量之间的 夹角；一层错能。,由（4-3）式可知，扩展位错的宽度d与晶体的切变模量和位错的柏氏矢量b成正比，与单位面积层错能成反比。即层错能越大，扩展位错的宽度越小。具有面心立方结构的不同金属它们的层错能是不同的。例如，铝的层错能很高，故其扩展位错的宽度很窄，仅12个原子间距，实际上可认为铝中不会形成扩展位错；而奥氏体不锈钢的层错能很低，其扩展位错的宽度可达十几个原子间距。,当一个螺型单位位错分解为扩展位错后，由于两个肖克莱不全位错不能离开层错面，因而扩展位错要实现交滑移

21、首先必须束集成单位位错，然后才能进行交滑移。,图4.14 扩展位错的交滑移过程,图4.14为扩展位错的交滑移过程。扩展位错的束集不是在整条位错线上同时进行，而是先在位错线上某点A开始，然后扩展成一线段AA，被束集的单位位错进行交滑移，并且在新的滑移面上重新扩展，继续滑移，逐步把扩展位错转移到新的滑移面上。,从扩展位错交滑移可知，层错能低的金属，扩展位错宽度大，束集困难，不易交滑移；而层错能高的铝，扩展位错宽度小，束集容易，因而很容易交滑移。,4.4.4 面角位错 (Lomer-Cottrell Dislocation),如图4.15所示，在(111)和 面上分别有两个全位错 和 ，它们在各自的

22、滑移面分解为扩展位错：,两个扩展位错各在自己的滑移面上相向移动，当每个扩展位错中的一个领先不全位错达到滑移面的交线时，就会通过位错反应，生成新的位错：,图4.15 面角位错的形成过程,这个新位错 是纯刃型的，其柏氏矢量位于(001)滑移面上，但面心立方晶体的滑移面是111，不易滑移，只能攀移。因此，这个位错是固定位错，又称压杆位错。,压杆位错带着两片分别位于(111)和 面上的层错区，以及 和 两个不全位错。这种形成于两个111面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态称为面角位错，也称为罗曼一柯垂尔（Lomer-cottrell）位错。,4.5 体心立方晶体(Body-cent

23、ered Cubic Crystal) 中的位错,在体心立方晶体中以密排方向为滑移方向，全位错的柏氏矢量为 ，相应的滑移面有110、112、123。由于这三种滑移面均含有相同的方向，使螺型位错易于交滑移。在低温变形的体心立方结构金属中，所观察到的位错多为长而直的螺型位错。这说明，同刃型位错相比，螺型位错的可动性较差，是控制体心立方结构金属滑移特性的主要位错组态。,4.5.1 全位错的合成反应(Synthetic Reaction of Perfect Dislocation),在体心立方晶体中常见的全位错除了 位错外，还有柏氏矢量为a的位错，有时可在位错网络中观察到。a型全位错可由两个 型全位

24、错经合成反应而获得，即,如图4.16所示，若沿(101)面上具有柏氏矢量为 的位错与沿 面上的具有柏氏矢量为 的位错相遇时，便可按上述反应合成新位错。,合成的新位错线沿着两滑移面 和 的交线010方向，而柏氏矢量为a001，是一种不动位错，其相应的半原子面又恰好沿着解理面（001），易于成为萌生解理裂纹(Cleavage Crack)的部位，如图4.16（b）所示。,图4.16 001全位错的形成与解理裂纹成核,4.5.2 层错(Stacking Fault),在体心立方晶体中，以110面的密排程度最大，故可以把体心立方晶体看成是由110面堆垛而成。如图4.17所示，两个相邻的 面上原子的堆垛

25、次序为AB AB AB，两层一循环。可供第二层原子占据的B位置为马鞍型凹窝。,图4.17 面上相邻 两层原子的分布图,图4.17 面上相邻 两层原子的分布图,显然，若将某一B层原子的位置向凹窝中心B1或B2错动 时，便可得到两种滑移型层错：AB AB AB1 AB1 AB1或 AB AB AB2 AB2 AB2 （4-4）,在凹窝中心两侧处各有两个同等稳定的位置B1和B2都是B层原子可以占据的能量极小处，从而为形成层错提供了可能性。,但112不是密排面，不能按刚球密堆方式逐层堆垛，如图4.18（a）所示。若沿 方向观察时，可将 面上各原子在（110）面上的投影示于图4.18（b）。,在体心立方

26、晶体中，还有一种在112面上形成层错的可能性。112面是体心立方晶体中最常见到的滑移面，也是孪晶面(Twinning Plane)，为形成层错提供了有利条件。,图中标以A、C和E的原子位于（110）面上，用“”表示；而标以B、D和F的原子沿 方向与（110）面相距 ，用“”表示。可见 面的堆垛特点是每六层为一循环周期，即 ABCDEF ABCDEF AB （4-5）而且，由于相邻两层 面上的原子沿 方向高度不同，又可将体心立方晶体的堆垛特点按 面的堆垛周期中每两层为一组加以描述： A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 （4-6）,图4.18 面

27、上的原子分布及其堆垛特点 （a） 面上原子的分布； （b） 面上原子在（110）面上的投影,根据以上112面的堆垛特点，可有以下三种方式在体心立方晶体中形成层错。,A 滑移方式 由图4.18可知， 面与（110）面相交，其交线 恰好为滑移方向。每相邻两层 面原子之间的相对滑移矢量为 ，如图4.19所示。若将某一层 面原子（如A层原子）以上部分相对于以下的F层滑移 或 ，可将体心立方晶体的堆垛次序变化而形成I1型内禀层错： I1=FEDCBAFEFEDCBA （4-7）,图4.19 原子在（110）面上的投影（代表位于纸面上的原子；代表位于纸面下的原子）,B 抽出方式,若在体心立方晶体的正常堆垛

28、周期中，抽出一对原子层（如C层和D层），可形成如下I2型内禀层错： I2=FEDCBAFE BAFEDCBA （4-8）C 插入方式若在体心立方晶体中的正常堆垛周期中，在某一B面处将晶体切开后，使其上各层原子向上沿 方向移动 距离，再在该空隙中插入一对原子层（如E层和F层），则可形成E型外延层错： E=CDEFABE FCDEFABC （4-9）,在上述改变112面堆垛次序的过程中，要相应破坏或变动相邻原子层的键合状态。按照所涉及的原子键合破坏的程度，可以认为，I1型内禀层错所需能量最小，而形成其他两种层错所需能量较大。因此在体心立方晶体中，层错一般以I1型为主，其他两种层错的实用意义不大。,

29、4.5.3 不全位错,在体心立方晶体中可能形成的不全位错主要有：1)在110面上形成一部分层错时，其边界为不全位错 ；2)在112面上形成一部分层错时，其边界为不全位错 或 。另外，在体心立方晶体中，也可能在I1型层错的基础上进一步形成I3型层错，与其相对应的112面的堆垛次序如下： I3=FEDCBAF F A AFEDCBA （4-10）,这种I3型层错相当于具有三个原子层厚的孪晶，可以看成是在如图4.20（a）所示的I1型层错的基础上，经柏氏矢量为 和 的两不全位错在FE和ED两原子层之间相继滑移的结果。若在112面上形成一部分I3型层错时，其边界的一端为三个分布在相邻三个滑移面上的 不

30、全位错，另一端为柏氏矢量和等于零的区域位错，如图4.20（b）所示。,图4.20 在 面上形成的（a）部分I1型层错和（b）部分I3型层错,4.5.4 扩展位错,A 在110面上的扩展位错如图所示，B层原子要从一个平衡位置滑移到另一个平衡位置时，比较容易的途径是将全位错的运动分解成三个不全位错的运动，即这种全位错分解的特点是，所形成的三个不全位错位于同一滑移面内。其中， 位错留在原位错 所在处， 和 两不全位错构成扩展位错的两个边界。,面上相邻两层原子的分布图,科恩（Cohen）等人曾用这种模型设想一个 螺型位错分解形成可滑移型扩展位错的可能性，如图4.21（a）所示，这种分解反应称为可滑移分

31、解。柯佑帕（Kroupa）等人又设想 螺型位错可沿属于111晶带轴的三个110面内分解，如图4.21（b）和（c）所示。其位错反应如下： 为中心螺型位错，分别与另三个不全位错以三片层错相联，故称为三叶位错。在图4.21中，（b）和（c）是等效的两个状态，可以交替地沿同一条位错线扩展。,图4.21 柏氏矢量为 的螺型位错在110面上分解（a）可滑移分解；（b）和（c）不可滑移分解，两种状态相差180,B 在112面上的扩展位错,Frank等人提出， 螺型位错可在112面上按下式分解扩展： 这是由于一个螺型全位错分解成两个螺型不全位错，均位于同一滑移面上，如图4.22（a）所示。这种位错组态在外力

32、作用下可整体滑移，也称为可滑移分解。赫许（Hirsch）等人又提出了一种 螺型位错沿属于111晶带轴的三个112面上分解的可能性，如图4.22（b）所示，即,其特点是形成相交的三片层错，分别以三个 螺型不全位错为边界，但却无中心不全位错。斯利维克（Sleeswyk）认为这种中心无不全位错的扩展位错不稳定，应按图4.22（c）所示的方式分解。在无应力作用时，图4.22（c）中所示的组态可有三种等效情况（相差120）。这种各不全位错分别位于不同滑移面上的分解，也称为不可滑移分解。所形成的扩展位错组态具有阻碍其他位错滑移的特性。,图4.22 螺型位错在112面上分解机制示意图 （a）可滑移分解；（b

33、）不可滑移分解，无中心位错；（c）不可滑移分解，有中心位错,4.6 密排六方晶体(Hexagonal Close-packed Crystal) 中的位错,4.6.1 层错密排六方晶体也为密排结构，其堆垛次序为AB AB AB，二层一循环。密排面是（0001）面，这种密排面也可以用刚球模型来描述，如图4.23所示。,图4.23 密排六方晶体中密排面的刚球模型,在密排六方晶体中，层错也有内禀型和外延型之分，可分别由以下三种方式形成。,A 抽出一层原子后，上下两部分晶体适当平移若在密排六方晶体的正常AB AB堆垛次序中去掉某一层原子，如B层原子，再使其上各层原子的位置平移 ，会使堆垛次序变为 （4

34、-11） 则形成内禀型层错，即 AB AB AB ACA CA CA （4-12）,其特点是从AB AB两层循环堆垛过渡到AC AC堆垛之间，存在三层堆垛结构BAC。由于不可能由同种类面构成邻近面，如AA和BB，所以在密排六方晶体中的层错必然包含面心立方晶体中的堆垛层次。B 简单滑移若将晶体在某一B层处剖开，使上部晶体相对下部晶体平移至C位置，也可形成内禀型层错，例如 （4-13） 则得 AB AB ABCA CA CA （4-14）,C 插入一层原子,若在A和B层之间插入一层C原子，则可形成外延型层错，即 （4-15）显然，第一种和第三种情况可以相互转化，通过滑移会由一种层错变成另一种层错，

35、例如第一种：AB AB AC A C A C （滑移） 第三种：AB AB A C B A B A （4-16）,4.6.2 不全位错,A 密排六方晶体中的矢量记号 利用图4.24所示的双角锥体表示密排六方晶体中的各矢量。,图4.24 密排六方晶体中的柏格森记号,可以看出，密排六方晶体中重要的位错有：,1）6个柏氏矢量等于双角锥体基面ABC的边长 的全位错，即 ；2）2个柏氏矢量垂直于基面的全位错， 即 ；3）12个 型的不全位错，其柏氏矢量可 用 表示，是代表SA和TB中点连线长 度两倍的矢量；4）4个柏氏矢量垂直于底面的不全位错，即 ；,5）6个在基面上的肖克莱不全位错，其柏氏矢 量分别为

36、 ； 6）12个柏氏矢量为 的不全位错，是由4）和5）两不全位错合 成的结果。密排六方晶体中常见位错的柏格森记号(表4-3),（2）戴曼诺（Damiano）记号,图4.25所示的基本六方单位晶胞上，各符号表示密排六方晶体中常见位错的柏氏矢量及滑移面，见表4.4。,图4.25 密排六方晶体中矢量的戴曼诺记号,表4.4 密排六方晶体中常见位错及滑移面的戴曼诺记号,B 肖克莱不全位错,在铍、镁、镉和锌等具有密排六方点阵的金属中，滑移系统 （0001）的临界切应力很低，使基面滑移易于进行。在基面上，全位错可分解成两个肖克莱不全位错，中间以内禀型层错区相连，如图4.26所示。相应的位错反应按柏格森记号为

37、： （4-17） 即,这种位错分解使位错能量减小1/3。所形成的肖克莱不全位错可在基面上运动，使堆垛次序作如（4-11）式和（4-13）式所表述的变动。两肖克莱不全位错的柏氏矢量同全位错的柏氏矢量之间呈30角。肖克莱不全位错可具有刃型、螺型或混合型等类型。,（4-11）式,（4-13）式,图4.26 全位错在基面上分解成两个肖克莱位错和内禀型层错,C 弗兰克不全位错,在密排六方晶体中，可由空位盘崩塌或间隙原子沉淀形成弗兰克位错。由图4.27可见，空位在基面上聚集和崩塌后，会导致同种类原子层成为近邻，使系统能量增高。改变这种不稳定原子组态的一种方式是将空位盘上面的一层原子由B位置改变到C位置，成

38、为一层附加的C原子，如图4.27（c）所示。这相当于其上层和下层各有符号相反的一个柏氏矢量为 的肖克莱位错运动的结果。,图4.27 弗兰克位错环的空位盘崩塌形成机制（a）空位在基面上聚集形成空位盘；（b）空位盘崩塌；（c）调整层错区堆垛次序，形成外延型弗兰克位错环；（d）调整层错区堆垛次序，形成内禀型弗兰克位错环,所涉及的位错反应按戴曼诺记号为： （4-18）即,然而，按此种方式所形成的弗兰克位错环包围着外延型层错，所需能量较大，故有可能在层错区萌生一个肖克莱位错环，并由其扩展运动使层错变为内禀型。于是，在原弗兰克位错环所在的边界处，便可能发生如下反应而形成 型的弗兰克位错。,（4-19） 即

39、在所得到的弗兰克位错环内包围着内禀型层错，层错能较低。一般认为，外延型层错的层错能约为内禀型层错的三倍。所以，在密排六方晶体中由空位盘崩塌形成的弗兰克位错环的柏氏矢量以 为主。位错环的尺寸受层错能、应力、温度和杂质含量等影响。 和 型弗兰克位错环不能沿基面滑移（不动位错），但两者均可攀移。,另外，也可以由间隙原子在基面上沉淀(Precipitate)形成如图4.28（a）和（b）的围绕外延型层错的弗兰克位错环，其柏氏矢量为 。由于其层错能高使位错环尺寸足够大时，会按（4-19）式通过肖克莱位错环的萌生与运动而转变成内禀型弗兰克位错环，如图4.28（c）所示。在经辐照的Mg、Cd和Zn中，已观察

40、到间隙原子在基面上沉淀形成的弗兰克位错环，其柏氏矢量为 和 两种。,图4.28 弗兰克位错环的间隙原 子沉淀形成机制（a）间隙原子在基面上沉淀；（b）外延型弗兰克位错环的形成；（c）内禀型弗兰克位错环的形成,D 其他不全位错,除在表4.3中已讨论过的几种不全位错外，其余位错均与位错分解或合成有关。例如，可动的不全位错 位于基面，围绕着内禀型层错，并对以下位错分解反应具有亚稳定性。 或 不动位错 也有一定的亚稳定性，可按以下反应分解：其中，分解产物 和 两位错可分别在 面上滑移。,全位错 或 为可动位错，但在一定条件下可分解形成不动位错组态，如图4.29所示。相应的分解反应为： 或 由图4.29

41、可知，这种分解反应需要攀移条件，可通过空位或间隙原子短程扩散发生。这种分解反应对于限制非基面滑移有重要作用，可能是使全位错 或 滑移时有很高静态P一N障碍的原因。,图4.29 全位错 分解（a） 全位错组态；（b） 复合位错组态,4.6.3 位错的扩展,在密排六方晶体中有四种滑移系统(Slip System)，即基滑移系统 、棱柱滑移系统 、I型棱锥滑移系统 和II型棱锥滑移系统 。其中以基面滑移系统最常见，其他三种只在合适的条件下才能出现。而且全位错扩展主要在基面上进行，如（4-17）式所示。,扩展位错的宽度与层错能成反比，层错能较高的Mg中位错一般不扩展，而层错能较低的Cd和Zn中位错有较

42、明显的扩展。在有利于棱柱滑移的密排六方结构金属中，基面滑移虽可进行，但全位错不易发生（4-17）式所示的分解扩展。这可能因为在密排六方结构金属中，晶面间距与c/a值有关。在c/a1.633的情况下，基面间距变小，使相邻原子层间的键合增强，从而难于改变堆垛次序而形成稳定层错。,在受高应力作用下及晶体取向不利于基面滑移和棱柱滑移的条件下，在 和 面上以 为柏氏矢量的滑移系统可以开动(II型棱锥滑移系统) 。其中， 面也是密排六方结构金属中常见的孪晶面之一。但由于相应的柏氏矢量较大，而且此类原子面不是理想的密排面，使位错滑移的晶格阻力较大。,罗斯鲍姆（Rosenbaum）等人在刚球点阵模型的基础上提

43、出，柏氏矢量为 或 的全位错在 面上可能分解成四个不全位错，其柏氏矢量均为 。其中，一个不全位错的中心同时占据三个相邻的 面，而在各面上引起的原子位移不同，称为区域位错。另外三个不全位错分别位于三个 面上，与区域位错和三片相邻的层错共同组成扩展位错，如图4.30所示。由于区域位错运动时可形成孪晶，使 滑移同孪晶有密切关系。,图4.30 全位错 在 面上分解形成一个 区域位错和三个不全位错,小 结,位错的分类：全位错和不全位错；位错的柏氏矢量：大小和方向用b=Cuvw；位错反应：几何条件： 能量条件：面心立方晶体中的位错：1）层错：抽出或插入一层形成；2）不全位错：肖克莱和弗兰克不全位错特征见表

44、4.23）扩展位错：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位错组态。,4）面角位错：形成于两个111面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态。体心立方晶体中的位错：1）全位错合成反应：2）层错：110面上层错（滑移型）；112面上层错有三种： I1型内禀层错、 I2型内禀层错、 E型外延层错。,3）不全位错： 110面上1/8； 112面上1/6或-1/3。4）扩展位错： 110面上 112面上,密排六方晶体中的位错：1）层错：抽出一层原子或滑移形成内禀型层错；插入一层原子形成外延型层错。2）不全位错：肖克莱不全位错弗兰克不全位错3）扩展位错：三个不全位错分别位于三个 面上，与区域位错和三片相邻的层错共同组成扩展位错。,