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1、2014年3月10日11时1分,刘志勇,位错的基本类型及特征,工程材料理论切变强度与实际强度相差1001000倍,晶体中位错的基本类型,1.刃型位错,2.螺型位错,3.混合位错,2014年3月10日11时1分,刘志勇,刃型位错,可以想像为晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这个原子平面中断处的边沿及其周围区域是一个刃型位错,正刃型：位错半原子面位于某晶面的上半部位置的称为，记号“”表示,中断处的边沿犹如在晶体中插入一把刀刃，故称之为“刃型位错”，在刃口处的原子列定义为“刃型位错线”,负刃型：位错半原子面位于某晶面下半部的称为，以“T”表示,含有刃型位错的晶体结构示意图,2014年3月10日11时
2、1分,刘志勇,刃型位错线周围的弹性畸变,点阵畸变是对称的，位错中心受到畸变度最大，离开位错中心畸变程度减小,刃位错周围原子不同程度地偏离平衡位置，使周围点阵发生弹性畸变,正刃型位错：晶面上部原子拥挤，受压应力，晶面下部原子受拉应力,一般把点阵畸变程度大于正常原子间距1/4的区域宽度定义为位错宽度，约为25个原子间距,位错线长度有数百个到数万个原子间距，与位错长度相比，位错宽度非常小，所以把位错看作是线缺陷,2014年3月10日11时1分,刘志勇,位错形成,可能是在晶体形成过程（凝固或冷却）中产生的,晶体在塑性变形时也会产生大量的刃型位错,2014年3月10日11时1分,刘志勇,晶体局部滑移形成
3、刃型位错,力作用在晶体右上角，使右上角的上半部晶体沿滑移面向左作局部移动，使原子列移动了一个原子间距，从而形成一个刃型位错,2014年3月10日11时1分,刘志勇,晶体局部滑移形成刃型位错,2014年3月10日11时1分,刘志勇,晶体局部滑移形成刃型位错,受切应力作用原子面移动,2014年3月10日11时1分,刘志勇,晶体局部滑移形成刃型位错,受切应力作用原子面移动,2014年3月10日11时1分,刘志勇,晶体局部滑移形成刃型位错,出现多余半原子面，表面形成台阶,2014年3月10日11时1分,刘志勇,晶体中的纯刃型位错环,刃型位错不一定是直线，可以是折线或曲线,从滑移这个角度来看，可以把位错
4、定义为晶体中已滑移区域和未滑移区域的边界,晶体中的位错作为滑移区的边界，就不可能中断于晶体内部，它们或者中止于表面，或者中止于晶界和相界，或者与其它位错线相交，或者自行在晶体内形成一个封闭环,EFGH是位错环，是由于晶体中多了一片EFGH的原子层所造成的,这种位错环多由于空位集团崩塌而形成,2014年3月10日11时1分,刘志勇,几种不规则的刃型位错,2014年3月10日11时1分,刘志勇,刃型位错特征,（1）是由一个多余半原子平面所形成的线缺陷，位错宽度25个原子间距，位错是一管道,（4）晶体中产生刃型位错时，其周围点阵产生弹性畸变，既有正应变，又有切应变，使晶体处于受力状态，就正刃型位错而
5、言，滑移面上方原子受到压应力，下方原子受到拉应力。负刃型位错则刚好相反,（2）位错滑移矢量b垂直于位错线，位错线和滑移矢量构成滑移的唯一平面即滑移面,（3）位错线不一定是直线，形状可以是直线，折线和曲线，位错环,2014年3月10日11时1分,刘志勇,2.2.2 螺型位错,假定在一块简单立方晶体中,沿某一晶面切一刀缝，贯穿于晶体右侧至BC处,在晶体的右侧上部施加一切应力，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距,BC线左边晶体未发生滑移，出现已滑移区与未滑移区的边界BC,2014年3月10日11时1分,刘志勇,螺型位错（Screw dislocation）,右侧晶体上下两部分发生晶格扭动,从俯
6、视角度看，在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面,畸变区的尺寸与长度相比小得多，在畸变区范围内称为螺型位错,已滑移区和未滑移区的交线BC则称之为螺型位错线,2014年3月10日11时1分,刘志勇,螺型位错分类,按照螺旋面前进的方向与螺旋面旋转方向的关系分,螺型位错与刃型位错的主要区别,左螺型位错,右螺型位错,符合右手定则（右手拇指代表螺旋面前进方向，其它四指代表螺旋面旋转方向）的称为右螺型位错，符合左手定则的称为左螺型位错,螺型位错线与滑移矢量平行,螺型位错受力时只存在平行位错线的切应力，而无正应力,螺型位错线移动方向与滑动方向相垂直,2014年3月
7、10日11时1分,刘志勇,螺型位错特征：,1）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称,2）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线,3）包含螺位错的面必然包含滑移矢量,5）位错线的移动方向与晶块滑移方向、应力矢量互相垂直,4）螺位错周围的点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）,螺位错可以有无穷个滑移面,实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故滑移面有限,2014年3月10日11时1分,刘志勇,2.2.3 混合位错,位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度,滑移面ABC范围内原子发生了位移，其滑移矢量用b表示,混合位错的形成,位错线上任一点的
8、滑移矢量相同,晶体右上角在外力F作用下发生切变,弧线AC即是位错线，为已滑移区和未滑移区的边界，与滑移矢量成任意角度,是晶体中较常见的一种位错,2014年3月10日11时1分,刘志勇,混合位错,AC位错线中,混合位错原子组态,靠近A端的位错线段平行于滑移矢量，属于纯螺型位错,靠近C端的位错线段垂直于滑移矢量，属于纯刃型位错,其余部分线段与滑移矢量成任意角度，属混合位错,每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量,2014年3月10日11时1分,刘志勇,混合位错,每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量,2014年3月10日11时1分,刘志勇,2.3 柏氏矢量,柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理
9、量,表示位错区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度,是矢量,1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”,用b 表示,2014年3月10日11时1分,刘志勇,柏氏矢量的确定方法,1）人为假定位错线方向,2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向,3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较,在实际晶体中作柏氏回路，在完整晶体中按相同的路线和步法作回路，路线终点指向起点的矢量，即“柏氏矢量”,使位错线的正向与右螺旋的正向一致,一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向,2014年3月10日11时1分,刘志勇,刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量,刃型位错的柏氏回路和柏氏
10、矢量(a)含有位错的晶体；(b)供比较用的理想晶体,2014年3月10日11时1分,刘志勇,确定刃型位错的右手法则,2014年3月10日11时1分,刘志勇,螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量,2014年3月10日11时1分,刘志勇,从柏氏矢量和位错线取向关系确定位错类型,(1)刃型位错：柏氏矢量与位错线相垂直,位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质,(2)螺型位错：柏氏矢量与位错线相平行，柏氏矢量与位错线同向的则为右螺型位错，柏氏矢量与位错线反向的则为左螺型位错,(3)混合位错：柏氏矢量与位错线成任意角度,2014年3月10日11时1分,刘志勇,螺型位错类型判断,确定左、右螺型位错类型右手法
11、则,2014年3月10日11时1分,刘志勇,1）表征位错线的性质,柏氏矢量b的物理意义,2）表征了总畸变的积累,3）表征了位错强度,据b与位错线的取向关系可确定位错线性质,围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变,同一晶体中b大的位错有严重点阵畸变，能量高且不稳定,位错许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关,2014年3月10日11时1分,刘志勇,位错是滑移区和未滑移区的边界,柏氏矢量b的物理意义,螺型位错滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距，和柏氏矢量完全一致,畸变是由滑移面上局部滑移引起的
12、，滑移区上滑移的大小和方向与位错线上原子畸变特征一致,刃型位错滑移区的滑移方向正好垂直于位错线，滑移量为一个原子间距,对于任意位错，不管其形状如何，只要知道它的柏氏矢量，就得知晶体滑移的方向和大小，而不必从原子尺度考虑运动细节，为讨论塑性变形提供了方便,4）柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后，晶体上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量,2014年3月10日11时1分,刘志勇,1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关,3柏氏矢量特征,2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和,一条位错线只有一个柏氏矢量,如有几根位错线的方向均指向或离开节点，这些位错线的柏氏矢量之和值为零,三位错线相遇于一点,2014年3月10日11时1分,刘志勇,位错密度,位错密度计算示意图,2014年3月10日11时1分,刘志勇,位错的密度,1.单位体积内位错线的总长度,=L/,s=N/s,2.单位面积位错露头数,当位错线方向任意时,当位错线全部平行时,s=,退火良好的金属晶体，=106-108cm-2,剧烈冷加工金属=1010-1012cm-2，细心制备和处理的半导体材料，约为106cm-2,甚至为0,2s=,
