晶体缺陷位错概念

晶体缺陷位错概念第1页，共29页，2023年，2月20日，星期一位错理论的发展：1907，沃尔特拉（volterra)在弹性体中提出位错概论1934，波拉尼（M.Polanyi)和奥罗万（E.Orowan)及泰勒（G.I.Taylor)提出晶体缺陷的位错模型1939，柏格斯（Burgers）引入柏格斯矢量1940，皮尔斯（Peierls)提出，1947，由纳巴罗（Nabarro）修正的位错点阵模型1947，科特雷尔（Cottrell）阐明了位错和溶质原子的相互作用1947，肖克莱（Shockley）提出了面心立方中的扩展位错1950，弗兰克（Frank）和里德（Read）提出位错的增殖机理1953，奈（Nye）和1954，比尔拜（Bilby)以及克朗尼（Kroner)提出了无限小位错连续分布模型。位错受力公式（克朗尼，1950，布林，1955）位错的观察，1956，门特（Menter），赫希（Hirsch）第2页，共29页，2023年，2月20日，星期一

位错的基本类型及特征

刃型位错:

螺型位错:

混合位错第3页，共29页，2023年，2月20日，星期一刃位错形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。分类：正刃位错，“”；负刃位错，“T”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。第4页，共29页，2023年，2月20日，星期一确定半原子面的右手定则位错线正方向：食指B方向：中指半原子面：拇指第5页，共29页，2023年，2月20日，星期一刃型位错---刃位错结构示意图第6页，共29页，2023年，2月20日，星期一基本点如下：

位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界正、负刃位错位错宽度，2~5个原子间距位错是一管道额外（多余）半原子面滑移矢量滑移面

刃位错不一定是直线，可为纯刃型位错环第7页，共29页，2023年，2月20日，星期一刃型位错特征：

位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变位错是一管道第8页，共29页，2023年，2月20日，星期一刃型位错：位错线为曲线位错线为曲线，滑移面为曲面第9页，共29页，2023年，2月20日，星期一形成及定义：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.符合左手、右手螺旋定则。螺位错位错线的方向与滑移矢量一致：右手螺旋位错线的方向与滑移矢量相反：左手螺旋第10页，共29页，2023年，2月20日，星期一拇指指向顺着位错的柏氏矢量方向滑移的那部分晶体中指指向位错运动方向食指指向位错线的正方向右手法则:确定位错滑移面两侧的两部分晶体的具体滑移方向位错的运动方向由位错的本身性质决定！位错线运动的方向始终和位错线方向垂直，二者决定了滑移面，由食指和中指决定滑移面，大拇指决定滑移面法向的正方向，该方向指向顺着位错的柏氏矢量方向滑移的那部分晶体第11页，共29页，2023年，2月20日，星期一左右螺旋位错第12页，共29页，2023年，2月20日，星期一

螺型位错

图为螺型位错形成模型第13页，共29页，2023年，2月20日，星期一螺型位错---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，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，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）5）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直第14页，共29页，2023年，2月20日，星期一

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。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。混合位错第15页，共29页，2023年，2月20日，星期一

混合位错位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意角度。图为混合位错的产生第16页，共29页，2023年，2月20日，星期一位错环有纯的刃型位错环，无纯的螺型位错环位错线不能终止于晶体内部，具有封闭性第17页，共29页，2023年，2月20日，星期一柏氏矢量

柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏氏矢量”，用b表示柏氏矢量的确定（方法与步骤）1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较

在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。第18页，共29页，2023年，2月20日，星期一刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量

位错线正方向柏格斯矢量多余半原子面yzxo食指中指拇指与起点选取位置无关第19页，共29页，2023年，2月20日，星期一螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量螺型位错的b矢量与位错线平行，b与位错线正方向平行为右螺型位错，反平行为左螺型位错第20页，共29页，2023年，2月20日，星期一混合位错的b矢量不平行也不垂直位错线位错线B矢量第21页，共29页，2023年，2月20日，星期一柏氏矢量b的物理意义1）

表征位错线的性质据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，

2）b表征了总畸变的积累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。3）b表征了位错强度同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。4）位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。第22页，共29页，2023年，2月20日，星期一

b矢量的表示法以晶轴为坐标系，用晶向指数来表示：体心：b=a/2[111]一般立方晶系：b=a/n<uvw>矢量大小：

第23页，共29页，2023年，2月20日，星期一柏氏矢量特征

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2)对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的，此即位错的伯氏矢量的守恒性。推论：

a.一条位错线只有一个伯氏矢量。b.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零

第24页，共29页，2023年，2月20日，星期一证明一个位错只有一个b矢量第25页，共29页，2023年，2月20日，星期一一个位错环只有一个b矢量第26页，共29页，2023年，2月20日，星期一多个位错相遇指向同一个节点或离开一个节点，b矢量和等于零第27页，共29页，2023年，2月20日，星期一位错线的连续性位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。

第28页，共29页，2023年