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4.6晶体的线缺陷——位错一、线缺陷与位错1、线缺陷的概念晶体内沿某一条线，附近的原子排列与完整晶体不同，就形成线缺陷。（缺陷尺寸：一维方向显著，二维很小）最常见的线缺陷是位错，其中最简单的位错是刃型位错与螺型位错。位错要点：局部滑移已滑动区域与未滑动区域之间的错位原子线称为位错线。在位错线附近的原子没有位于完整晶体的正常格点位置，因此是一种缺陷。弹性变形出现位错位错迁移晶体形状改变，但未断裂并仍保留原始晶体结构待变形晶体晶体的逐步滑移一、刃型位错晶体在外切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移，EFGH面以左发生了滑移，以右尚未滑移，致使ABCD面上下两部分晶体间产生了原子错排。EF－将滑移面分成已滑移区和未滑移区，即是“位错”。EFGH晶面称多余半原子面。刃位错示意图此位错犹如一把刀插入晶体中，有一个刀刃状多余半原子面，故称“刃位错”（或棱位错）。“刃口”EF称为刃型位错线。GHEF刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图晶体局部滑移造成的刃型位错刃型位错可以看作在晶体的上半部（或下半部）插入半个额外的原子平面而引起的额外半个原子面→上半部原子更紧；位错线之上，晶格受挤压下半部原子更远；位错线之下：晶格受伸张→位错周围存在一个弹性应力场，引起晶格弹性畸变（高度应变状态）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当⊥与┬在同一滑移面相遇时，它们将相互抵销：⊥＋┬＝MM(抵销)当⊥与┬滑移面相距为两个原子间距，相遇时将形成一个空位：⊥＋┬＝VM(空位)⊥┬⊥＋┬＝MM(抵销)同一滑移面相遇⊥┬⊥＋┬＝VM(空位)相距两个原子间距相遇⊥┬⊥┬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。⑷刃型位错的结构特征有一额外的半原子面；可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。（二）螺位错形成及定义（图4-12）：晶体在外加切应力作用下，沿ABCD面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。分类：有左、右旋之分，分别以符号“.”和“.”表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则。图4-12螺位错形成示意图根据旋进方向的不同，螺型位错有左、右之分。右手法则：即以右手拇指代表螺旋的前进方向，其余四指代表螺旋的旋转方向。凡符合右手定则的称为右螺型位错；符合左手定则的则称为左螺型位错。CBAD(b)螺型位错示意图:（a）立体模型；（b）平面图ABCD(a)图4-13（b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况（a）与螺位错垂直的晶面的形状螺型位错示意图⑷螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排呈轴对称，螺位错线与滑移矢量平行，故一定是直线。分左旋和右旋螺型位错；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。在外力作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位错。如图4-14所示。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。（三）混合位错图4-14（a）混合位错的形成（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图（c）混合位错线附近原子滑移透视图三、位错的伯格斯矢量（Burgersvector）及位错的性质伯格斯矢量：晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。此矢量即“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”，用b表示。性质：大小表征了位错的单位滑移距离，方向与滑移方向一致。（一）伯格斯矢量的确定及表示1）先确定位错线方向(一般规定由纸面向外为正向)，2）按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指向位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。3）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，最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量。4）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。位错的运动晶体的宏观滑移变形，实际上是通过位错的运动实现的，位错可在晶体中运动是其最重要的性质。位错线在晶体中的移动－位错运动。位错运动方式：滑移和攀移。1）滑移：位错线沿着滑移面的移动。2）攀移：位错线垂直于滑移面的移动。刃位错的运动：可有滑移和攀移两种方式。螺位错的运动：只作滑移、而不存在攀移。1、位错的滑移位错滑移机理：位错的滑移：是通过位错线及附近原子逐个移动很小距离完成的，故只需加很小切应力就可实现。正刃位错滑移方向与外力方向相同；负刃位错滑移方向与外力方向相反。（a）正刃型位错（b）负刃型位错刃型位错滑移ττ位错运动示意刃位错的运动螺位错的运动混合位错的运动2.位错的滑移特点（1）刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。（2）螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。（3）混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。（4）晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。位错的攀移位错的攀移：指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。攀移的实质：是多余半原子面的伸长或缩短。刃位错：除可在滑移面上滑移外，还可在垂直滑移面的方向上进行攀移运动。螺位错：没有多余半原子面，故无攀移运动。常把多余半原子面向上移动称正攀移，向下移动称负攀移。当空位扩散到位错的刃部，使多余半原子面缩短叫正攀移。当刃部的空位离开多余半原子面，相当于原子扩散到位错的刃部，使多余半原子面伸长，位错向下攀移称为负攀移。(a)空位运动引起的攀移刃位错攀移示意图（a）正攀移（半原子面缩短）(b)未攀移（c）负攀移（半原子面伸长）攀移与滑移不同：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。