第二节位错的基本结构

1、第二节第二节 位错的基本结构位错的基本结构位错位错：晶体中某处一列或：晶体中某处一列或若干列原子若干列原子发生了发生了有规律的错排现象有规律的错排现象。错排区的形状错排区的形状：细长的：细长的管状畸变区域管状畸变区域。几百几万个几百几万个原子间距原子间距（25个个) 原子间距。原子间距。概念提出：概念提出：1934年。年。试验观察：试验观察：1956年。年。设备：透射电子显微镜。设备：透射电子显微镜。一、位错的基本类型一、位错的基本类型1、刃型位错、刃型位错：模型模型：产生产生：晶体：晶体局部滑移局部滑移产生。产生。ABCD：滑移面；：滑移面；EFGH：局部滑移产生的：局部滑移产生的多余半原子

2、面多余半原子面；EF：多余半原子面的：多余半原子面的“刃边刃边”，称作，称作“刃型位错线刃型位错线”，是已，是已滑移区滑移区(ABEF)与未滑移区与未滑移区(EFCD)在滑移面上的在滑移面上的边界线边界线，垂直于滑移方向垂直于滑移方向。刃型位错线周围的原子排列：刃型位错线周围的原子排列：位错线周围位错线周围：有：有 (25)个个原子间距的原子间距的点阵畸变点阵畸变；点阵畸；点阵畸变相对于多余半原子面左右对变相对于多余半原子面左右对称。称。含含有多余半原子面有多余半原子面的部分的部分晶体晶体受压受压，原子间距，原子间距减小减小；不含多余半原子面不含多余半原子面的部分的部分晶体晶体受拉受拉，原子间

3、距，原子间距增大增大；正、负刃位错正、负刃位错正刃型位错正刃型位错：用：用“”表示。表示。负刃型位错负刃型位错：用：用“”表示。表示。正、负刃位错的划分是相对的，但有用。正、负刃位错的划分是相对的，但有用。2、螺型位错、螺型位错位错模型位错模型：产生产生：晶体：晶体局部滑移局部滑移产生。产生。ABCD：滑移面；：滑移面；bb：螺型：螺型位错线位错线，也是已滑移区，也是已滑移区(AB bb)与未滑移区与未滑移区(bb CD)在滑移面上的边界线，但在滑移面上的边界线，但平行于滑移方向平行于滑移方向。螺型位错线周围的原子螺型位错线周围的原子在位错线附近有一个约在位错线附近有一个约几个原子间距宽几个原

4、子间距宽的，的，上、下层原子不吻合上、下层原子不吻合的的过渡区过渡区(bb和和aa之间之间) 。位错线附近的原子位错线附近的原子：按螺旋形按螺旋形排列排列。左、右螺型位错左、右螺型位错右螺旋位错右螺旋位错：符合右手法则符合右手法则的螺型位错。的螺型位错。左螺旋位错左螺旋位错：符合左手法则符合左手法则的螺型位错。的螺型位错。拇指：拇指：前进方向；前进方向；其余四指：其余四指：旋转方向。旋转方向。左、右螺型位错左、右螺型位错有着本质区别有着本质区别，无论将晶体如，无论将晶体如何放置，也不可能改变其原本的左、右性质。何放置，也不可能改变其原本的左、右性质。3、混合型位错、混合型位错混合位错混合位错：

5、位错线与滑移方向位错线与滑移方向成任意角度成任意角度的位错的位错。混合位错线是一条曲线，在混合位错线是一条曲线，在A处是螺位错处是螺位错，在，在C处是刃型处是刃型位错位错，在，在A与与C之间之间的每一小段位错线都的每一小段位错线都可以分解为刃型和螺可以分解为刃型和螺型两个分量型两个分量。混合位错的分解混合位错的分解二、柏氏矢量二、柏氏矢量1939年，年，柏格斯（柏格斯（J.M.Burgers）提出。提出。柏氏矢量柏氏矢量：用来：用来揭示位错本质揭示位错本质，描述位错行为的矢量描述位错行为的矢量。1、柏氏矢量的确定、柏氏矢量的确定用柏氏回路确定。用柏氏回路确定。1）人为规定位错线）人为规定位错线

6、的正方向。的正方向。2）在实际晶体中，）在实际晶体中，作柏氏回路，回路中的每作柏氏回路，回路中的每一步都连接相邻的原子。一步都连接相邻的原子。3）在完整晶体中，）在完整晶体中，按同样的方向和步数作一按同样的方向和步数作一个对比回路。从终点个对比回路。从终点Q到到始点始点M连接起来的矢量连接起来的矢量 ，即为柏氏矢量。即为柏氏矢量。b螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定方法完全相同。方法完全相同。刃位错的特征：刃位错的特征：柏氏矢量与位错线柏氏矢量与位错线互相垂直互相垂直。刃型位错都刃型位错都有一多余半原子面有一多余半原子面，多余半原子面的，多余半原子面的周界（即周界（即刃型位错线刃型位

7、错线）可以是）可以是折线折线，也可以是，也可以是曲线曲线，但但都与柏氏矢量垂直都与柏氏矢量垂直，即垂直于于滑移方向。，即垂直于于滑移方向。螺位错的特征：螺位错的特征：柏氏矢量与位错线柏氏矢量与位错线互相平行。互相平行。螺型位错无多余半原子面，螺型位错无多余半原子面，原子错排呈原子错排呈螺旋形螺旋形；螺型位错线螺型位错线与柏氏矢量平行，故与柏氏矢量平行，故一一定是直线定是直线。2、柏氏矢量的物理意义、柏氏矢量的物理意义柏氏矢量柏氏矢量是一个是一个反映由位错引起的反映由位错引起的点阵畸变大小点阵畸变大小的物理量的物理量。矢量的矢量的方向方向：表示：表示位错的性质位错的性质与与位错线的取向位错线的取

8、向；矢量的矢量的模模 ：表示：表示畸变的程度畸变的程度，称为，称为位错强度位错强度。同一晶体中，同一晶体中， 大，位错产生的点阵畸变大。大，位错产生的点阵畸变大。位错的许多性质都与柏氏矢量有关，如位错的能位错的许多性质都与柏氏矢量有关，如位错的能量、应力场、位错受力等。量、应力场、位错受力等。b bb b3、柏氏矢量的特性、柏氏矢量的特性n守恒性守恒性：柏氏矢量与回路起点的选择无关，也与回：柏氏矢量与回路起点的选择无关，也与回路的具体途径无关，只要是路的具体途径无关，只要是饶着位错一周饶着位错一周，所得到，所得到的的柏氏矢量是恒定不变的柏氏矢量是恒定不变的。n一条位错线具有唯一的柏氏矢量一条位

9、错线具有唯一的柏氏矢量：即不管此位错线：即不管此位错线各处的形状和位错的类型如何，其各处的形状和位错的类型如何，其各部分的柏氏矢各部分的柏氏矢量都相同量都相同。n如果所作的如果所作的柏氏回路包含有几个位错柏氏回路包含有几个位错，则得出的，则得出的柏柏氏矢量是这几个位错柏氏矢量之总和氏矢量是这几个位错柏氏矢量之总和。 由柏氏矢量的特性得出的推论由柏氏矢量的特性得出的推论n如有几个位错相遇于一点如有几个位错相遇于一点（称为位错节点），朝向节（称为位错节点），朝向节点的各位错的柏氏矢量之和，点的各位错的柏氏矢量之和，等于离开节点的各位错线的等于离开节点的各位错线的柏氏矢量之和。柏氏矢量之和。n若所有

10、位错线都指向（或离若所有位错线都指向（或离开节点），则它们的柏氏矢开节点），则它们的柏氏矢量之和为零。量之和为零。n位错线只能终止在晶体表面位错线只能终止在晶体表面或晶界上或晶界上，而不能中断于晶，而不能中断于晶体内部。体内部。在晶内，它只能形在晶内，它只能形成封闭的环或与其它位错相成封闭的环或与其它位错相遇于节点，构成遇于节点，构成网络网络。4、柏氏矢量的表示方法、柏氏矢量的表示方法用用点阵矢量点阵矢量表示。表示。对立方晶系：用对立方晶系：用与柏氏矢量同向的晶向指数与柏氏矢量同向的晶向指数表示。表示。例：从例：从原点原点到坐标值为到坐标值为 的阵点的阵点柏氏矢量柏氏矢量： ，矢量的，矢量的模

11、模： 。 三轴分量三轴分量简单立方简单立方，沿，沿X轴，从轴，从原点原点相邻结点相邻结点， ；a,0,0面心立方面心立方，从，从原点原点底心底心， ；体心立方，从体心立方，从原点原点体心体心， ； ， nwnvnu, uvwnab222wvunab 100 ab 1102ab 0 ,2,2aa 1112ab 2,2,2aaa 1112ab aab232121212 柏氏矢量的运算柏氏矢量的运算用矢量加法进行运算：用矢量加法进行运算：若若 ，则：，则：如如 ，则：，则： 2222,1111wvunabwvunab )21)(21)(21(21wwvvuunabbb 11262,11131abab

12、 11023306112622261126111321aaaaaabbb 5、根据、根据 与位错线的关系，确定位错的类型与位错线的关系，确定位错的类型可滑移位错，可滑移位错， 总是平行于滑移方向，故可根据总是平行于滑移方向，故可根据 与位错线的与位错线的关系，确定位错的类型。关系，确定位错的类型。(1) 位错线，位错线，刃型位错刃型位错。将。将 顺时针旋转顺时针旋转90，若，若 的方的方向与位错线正向一致，正刃位错；反之，则为负刃位错。向与位错线正向一致，正刃位错；反之，则为负刃位错。(2) 位错线，位错线，螺型位错螺型位错。 的方向与位错线正方向一致，的方向与位错线正方向一致，右螺型位错；右

13、螺型位错； 的方向与位错线负方向一致的方向与位错线负方向一致,左螺型位错左螺型位错.(3) 和位错线和位错线成任意角度成任意角度090，混合位错混合位错。混合位错可分解为刃型分量和螺型分量混合位错可分解为刃型分量和螺型分量。bbbbbbbbbb cos,sinbsbbeb 位错密度位错密度：单位体积中所含：单位体积中所含位错线的总长度位错线的总长度。L位错线总长度，位错线总长度，V晶体体积。晶体体积。若把晶体中的位错线视为直线，而且平行地从若把晶体中的位错线视为直线，而且平行地从晶体的一端延伸到另一端，则晶体的一端延伸到另一端，则位错密度位错密度=穿过单位穿过单位截面积的位错线的数目截面积的位

14、错线的数目。A晶体的截面面积，晶体的截面面积，l每根位错线的长度每根位错线的长度(假假定即晶体厚度定即晶体厚度)，n过过A面积的位错线数目。面积的位错线数目。三、位错密度三、位错密度VLv AnAllns vs 的单位：的单位：m/m3=1/m2。充分退火金属：充分退火金属： =10101012/m2，剧烈冷变形金属：剧烈冷变形金属： =10151016/m2，超纯单晶体超纯单晶体 ： 107/m2。v v v v 晶体强度与位错密度的关系晶体强度与位错密度的关系 提高工程材料强度的两条途径提高工程材料强度的两条途径：(1)尽量减小位错密度尽量减小位错密度，如晶须（丝状单晶体），如晶须（丝状单晶体）(2)尽量增大位错密度尽量增大位错密度，如冷变形、淬火。，如冷变形、淬火。充分退火金属充分退火金属晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数晶格常数：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子数晶胞原子数：原子半径原子半径：配位数：配位数：8 8致密度致密度：