第三章位错理论

1、第三章第三章 矿物晶体缺陷和位错矿物晶体缺陷和位错Evidence of solid-state deformation, without much strain accumulation (such as elongation of grains or recrystallized aggregates) in granodiorite, Ardara pluton, NW Ireland. Quartz shows undulose extinction and marginal recrystallization, and K-feldspar shows microcline twin

2、ning and marginal replacement by myrmekite. Crossed polars; base of photo 4.4 mm.Strong kinking in biotite and quartz, indicating solid-state deformation, though much of the igneous microstructure remains, in the form of euhedral plagioclase laths. Hillgrove Adamellite, New England Batholith, New So

3、uth Wales, Australia. Crossed polars; base of photo 1.75 mm.(a) Thin K-feldspar band (with Kfs1 porphyroclasts embedded in tails of fine recrysallized Kfs2 grains) surrounded by larger elongate Qtz2,1 grains with mantles of fine polygonal Qtz2,2, XZ surface (mmS80). Fig. 4. SEM secondary electron im

4、ages of broken surfaces of dry Mont Mary quartz-feldspar mylonites.(b)Irregular Qtz2,1 surrounded by fine, equigranular Qtz2,2, XZ surface (mmS80). (c) Enlargement of the transition from Qtz2,1 to Qtz2,2 grains as seen in (b). Note the polygonal form, the fine grain size (23 mm), and the typical por

5、e-free grain boundaries, XZ urface (mmS80).(d) Transition from Qtz2,1 to Qtz2,2 new grains. Note again the general lack of porosity on the new grain boundaries, XZ surface (mmS88).(e) Typical foam structure of recrystallized quartz grains developed in mmS90 (see Fig. 1e). Note the low overall porosi

6、ty on most grain boundaries, XY surface. (f) Enlargement of the typical foam structure of mmS90, showing the equilibrium grain shapes and generally tight structure without pervasive porosity. The porosity distribution is, however, heterogeneousalthough most grain boundaries are almost pore-free, loc

7、al pockets exist where grain boundaries are covered in scattered fine pores, e.g. in the centre-right of the photograph (see also Fig. 6a and b), XY surface.(g) Recrystallized quartz and finer-grained K feldspar, showing the marked difference in grain size but otherwise similar grain microstructure,

8、 XY surface (mmS90c).(h) Enlargement of the K-feldspar domain in (g), showing the similar polygonal grain shape as for quartz and the generally tight, pore-free grain boundaries, with only local development of isolated pores on two-grain boundaries, XY surface (mmS90c). 金属物理学家、在研究金属变形时发现晶体缺陷与金属的变形行为

9、和力学性质有密切关系，后来材料科学家发现这类缺陷不仅控制材料的力学性质，而且对材料物理性质有直接影响。人们发现一些晶体的实际强度要比理论强度小的多，其原因是由晶体缺陷引起的，为此Taylor(1934)提出位错理论，后来的实验证明了位错理论。1964年Christie等首次将位错理论引入矿物变形领域，地质学家开始应用晶体缺陷理论来研究岩石和矿物的变形特征、动力学机制和环境条件。晶体缺陷影响晶体塑性变形。一、晶体缺陷及其分类一、晶体缺陷及其分类 1. 晶体缺陷晶体缺陷 （imperfections in the structure of a crystal ） 理想晶体格架内结点上的质点以一定规

10、律周期性排列，如果结点上质点的周期性遭到破坏，这就是晶晶体缺陷体缺陷。它们可以在晶体生长过程中 出现，也可以在变形过程中出现。晶体缺陷按其在晶体中的几何分类，可以分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。 (1).点缺陷点缺陷晶格内某一结点上原子排列的周期性的破坏或中断，叫点缺陷（0-D known as point defects ）有： A 空位空位； B.间间隙原子；替换原子隙原子；替换原子A 空位空位，结点上原子缺失；形成负压中心，晶格畸变。空位扩大形成大约十几个原子大小的非晶质区，称为松弛群Schottky空位 Frank 空位，它与间隙原子数相同晶体在变形过程中形成的晶体在变形过程中形成

11、的两种不同类型的空位两种不同类型的空位 B.间隙原子间隙原子 在晶格结构中非结点位置出现的原子和其它杂质，称为间隙原子，有自间隙原子（self-interstitials）和间隙杂质（interstitial impurities）两类。 自间隙原子与周围原子一样，属于错排原子。 间隙杂质其半径可以比周围原子半径大或小都使晶格发生畸变。C. 替换原子替换原子晶格结点上出现了外来的原子，替换原来的原子。(Substitutional impurities)(2).线状缺陷（线状缺陷（Linear defects） 是指晶格内质点排列周期性被破坏成一条线，也称为位错，是晶体中最为常见的缺陷，位错及

12、其运动在岩石和矿物塑性流动过程中起着重要作用。(3).面状缺陷面状缺陷(Planar defects) 是指晶格内质点排列周期被破坏成一个面，也称为二维缺陷。如晶体表面、晶体颗粒边界、亚晶粒边界、双晶面、不同相的界面。A.晶体表面（grain surfaces) 晶体表面的几个原子层，其结构与性质与晶体内部不同，它们受到质点间的作用力是不对称的，具有表面能。B.晶粒间界（grain boundaries) 光性方位不同的相邻晶粒或亚晶粒间的界面称为晶粒间界。按相邻颗粒位向差的大小可将晶粒间界分为大角度晶界和小角度晶界。大于大于12为大角度晶界为大角度晶界，小于12 为小角度晶界小角度晶界，也

13、称为亚晶界大角度晶界大角度晶界小角小角度晶度晶界界a晶间质点为过度型电阵结构；晶间质点为过度型电阵结构；b双晶晶界；双晶晶界；c密集位错构成的晶界。密集位错构成的晶界。 C.堆垛层错 是晶体中原子或离子的堆垛次序被破坏而形成的面缺陷。内存堆垛层错 外赋堆垛层错(4).体缺陷体缺陷包括晶体中的气孔、各种包裹体和沉淀物二、位错及其运动二、位错及其运动 1.位错的含义及类位错的含义及类型：型： 位错位错是一种线状缺陷。位错可以分为四种：刃型位错、刃型位错、螺型位错、混合型螺型位错、混合型位错和位错环。位错和位错环。 a.刃型位刃型位错：错：位错线垂直剪切运动方向。具有附加半原子平面b.螺型位螺型位错

14、错:位错线平行于剪切方向，但是由垂直于剪切方向的位移来实现的。没有附加半原子平面。c.混合型位错：混合型位错：兼有刃性位错和螺型位错的特点，称为混合位错d. 位错环：位错环：闭合于晶体内部的环型位错，其任何一部分都可以进一步分解为刃性位错、螺型位错或混合型位错2.布格矢量布格矢量 位错的形成与晶格的滑动密切相关.滑动包括了滑动方向和距离两个要素,滑动方向和距离统称为滑动矢量,即 布格(Burgers)矢量,一般用b来表示. 布格矢量是由柏格斯回路引出来的,柏格斯回路就是在含位错的晶体中,以完好晶区内取一原子作为起点,绕位错线作一闭合的回路,每一步都连接着相邻的等同原子.理想晶体与含位错晶体结构

15、上的闭合差即为布格矢量.理想晶体理想晶体含有位错晶体含有位错晶体 刃型位错刃型位错的的布格矢量与位错线垂直与位错线垂直.刃型位错分刃型位错分可分为正、负刃型位错。可分为正、负刃型位错。布格矢量顺时针为正矢量顺时针为正,反之为负反之为负.正刃性位错 负刃性位错 螺型位错的布格矢量与位错线方向平行,可以分为左型和右型.a-右螺型位错右螺型位错 b-左螺型位错左螺型位错 3.位错的一些基本性质位错的一些基本性质 （1）位错是一种线状缺陷,可以是直线,也可以是曲线. （2）一个位错只有一个唯一的柏格斯矢,且不会为零. （3）布格矢量是贯穿整个晶体的滑移矢量,所以位错线不能终止于晶体内部,或出露晶体表面

16、,或连接于另一个位错线,也可以自行封闭形成位错环. (4)当位错线交叉时，即数个位错线交汇于一点时，则指向位错交叉点的布格斯矢量之和等于背向交叉点的布格斯矢量之和 （5）位错线附近原子能量大,不稳定,易于被杂质原子所取代或侵蚀,这就是采用化学侵蚀法和氧化缀饰法来观察位错的基础.第三章第三章 矿物晶体缺陷和位错矿物晶体缺陷和位错(2)4.位错运动与增殖位错运动与增殖位错运动造成了岩石和矿物位错运动造成了岩石和矿物塑性变形，而位错运动实质塑性变形，而位错运动实质是上就是原子运动，只涉及是上就是原子运动，只涉及位错周围原子，所以位错运位错周围原子，所以位错运动所需要的临界值比理想的动所需要的临界值比

17、理想的晶体要小的多。与岩石和矿晶体要小的多。与岩石和矿物变形有关的位错运动主要物变形有关的位错运动主要有以下主要几种类型：有以下主要几种类型：刃性位错滑移：滑动方向与刃性位错滑移：滑动方向与b平行平行螺型位错滑：移滑动方向与螺型位错滑：移滑动方向与b垂直，由于位错线垂直，由于位错线与与b平行，没有固定滑移面平行，没有固定滑移面混合型位错滑移：滑动方向与混合型位错滑移：滑动方向与b成一斜交角度成一斜交角度A 位错滑动位错滑动 是指位错沿是指位错沿滑移面的运动，滑移面的运动，在没有干扰的在没有干扰的情况下，各类情况下，各类位错均可最终位错均可最终移出晶界，形移出晶界，形成台阶成台阶. 所有的位错线

18、所有的位错线的滑动方向均的滑动方向均与位错垂直。与位错垂直。正、负刃性位错在同一滑移面上向遇，相互正、负刃性位错在同一滑移面上向遇，相互抵消，导致位错消失抵消，导致位错消失（a）.位错运动可以导致位错消失位错运动可以导致位错消失正、负刃性位错在相隔滑移面上向遇，形成空位正、负刃性位错在相隔滑移面上向遇，形成空位（b）.位错运动可以形成空位位错运动可以形成空位 （c）.位错运动可以位错塞积位错运动可以位错塞积 当位错滑动时遇到障碍时,如粒内晶界,气泡,杂质等,运动受阻,产生位错塞积或位错缠结. 符号相反的两个刃型位错在滑动过程中相遇时,会相互抵消,导致位错消失. B 刃型位错攀移刃型位错攀移 刃

19、型位错除了可以沿滑动面发生滑动外刃型位错除了可以沿滑动面发生滑动外,还可以垂直于滑动面发还可以垂直于滑动面发生位移生位移(沿额外半原子面沿额外半原子面),其过程就是额外半原子面的扩大或缩小其过程就是额外半原子面的扩大或缩小. 因为攀移与空位或原子扩散有关因为攀移与空位或原子扩散有关,比滑动需要更大的能量比滑动需要更大的能量,其发生其发生的条件是的条件是(1)要有一定数量的空位存在要有一定数量的空位存在;(2)有足够高的温度有足够高的温度0.3Tm.a-空位向相邻原子迁移；b-空位向位错方向迁移；c-空位扩散到位错核部，使附加半原子平面上升，位错向上攀移C 螺型位错交叉滑移螺型位错交叉滑移 螺型

20、位错在某一滑动面滑动螺型位错在某一滑动面滑动遇到障碍时遇到障碍时,可以交叉跨越到可以交叉跨越到另一滑动面的过程另一滑动面的过程.螺形位错没有固定滑移面，所有包含位错或与b平行的晶面都可以成为滑移面 D位错交割位错交割 位错在运动过程中如果遇到位错阻碍时,如果应力足够大,运动位错就会克服这种障碍继续滑移,就产生了位错交割现象,交割的结果是在原来的线上留下一条一个原子间距大小的曲折线段,即可以与滑移面垂直,也可以在滑移面上,前者称为割阶,后者是扭折. 交割形成的割阶对位错起着阻碍作用,促使晶体硬化. E.位错的增殖位错的增殖 在应力作用下位错逐渐滑移直到晶体表面，从而产生宏观变形。在这一过程中不是减少，而是不断增加。Frank-Read的双轴位错增殖机制双轴位错增殖机制。在与位错AB的 b方向相同的剪切应力作用下发生弯曲位错线向外扩展ABCD三、位错亚构造三、位错亚构造 位错运动导致了位错亚构造的形成，不同变形环境、不同变形机制形成了不同的位错亚构造。 1.自由位错自由位错 晶体中单个离散的位错，称为自由位错，也叫做