第三章 位错理论

第三章矿物(kuàngwù)晶体缺陷和位错共六十二页共六十二页Evidenceofsolid-statedeformation,withoutmuchstrainaccumulation(suchaselongationofgrainsorrecrystallizedaggregates)ingranodiorite,Ardarapluton,NWIreland.Quartzshowsunduloseextinctionandmarginalrecrystallization,andK-feldsparshowsmicroclinetwinningandmarginalreplacementbymyrmekite.Crossedpolars;baseofphoto4.4mm.共六十二页Strongkinkinginbiotiteandquartz,indicatingsolid-statedeformation,thoughmuchoftheigneousmicrostructureremains,intheformofeuhedralplagioclaselaths.HillgroveAdamellite,NewEnglandBatholith,NewSouthWales,Australia.Crossedpolars;baseofphoto1.75mm.共六十二页(a)ThinK-feldsparband(withKfs1porphyroclastsembeddedintailsoffinerecrysallizedKfs2grains)surroundedbylargerelongateQtz2,1grainswithmantlesoffinepolygonalQtz2,2,XZsurface(mmS80).Fig.4.SEMsecondaryelectronimagesofbrokensurfacesofdryMontMaryquartz-feldsparmylonites.共六十二页(b)IrregularQtz2,1surroundedbyfine,equigranularQtz2,2,XZsurface(mmS80).共六十二页(c)EnlargementofthetransitionfromQtz2,1toQtz2,2grainsasseenin(b).Notethepolygonalform,thefinegrainsize(2–3mm),andthetypicalpore-freegrainboundaries,XZurface(mmS80).(d)TransitionfromQtz2,1toQtz2,2newgrains.Noteagainthegenerallackofporosityonthenewgrainboundaries,XZsurface(mmS88).共六十二页(e)TypicalfoamstructureofrecrystallizedquartzgrainsdevelopedinmmS90(seeFig.1e).Notethelowoverallporosityonmostgrainboundaries,XYsurface.(f)EnlargementofthetypicalfoamstructureofmmS90,showingtheequilibriumgrainshapesandgenerallytightstructurewithoutpervasiveporosity.Theporositydistributionis,however,heterogeneous—althoughmostgrainboundariesarealmostpore-free,localpocketsexistwheregrainboundariesarecoveredinscatteredfinepores,e.g.inthecentre-rightofthephotograph(seealsoFig.6aandb),XYsurface.共六十二页(g)Recrystallizedquartzandfiner-grainedKfeldspar,showingthemarkeddifferenceingrainsizebutotherwisesimilargrainmicrostructure,XYsurface(mmS90c).(h)EnlargementoftheK-feldspardomainin(g),showingthesimilarpolygonalgrainshapeasforquartzandthegenerallytight,pore-freegrainboundaries,withonlylocaldevelopmentofisolatedporesontwo-grainboundaries,XYsurface(mmS90c).共六十二页金属物理学家、在研究金属变形时发现晶体缺陷与金属的变形行为和力学性质(xìngzhì)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(xìngzhì)，而且对材料物理性质(xìngzhì)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。共六十二页一、晶体缺陷及其分类(fēnlèi)1.晶体缺陷（imperfectionsinthestructureofacrystal）

理想晶体格架内结点上的质点以一定规律周期性排列，如果结点上质点的周期性遭到破坏，这就是(jiùshì)晶体缺陷。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。共六十二页(1).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-Dknownaspointdefects）有：A空位；B.间隙原子；替换原子A空位，结点上原子缺失(quēshī)；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，称为松弛群共六十二页Schottky空位(kōnɡwèi)Frank空位(kōnɡwèi)，它与间隙原子数相同晶体在变形过程中形成(xíngchéng)的两种不同类型的空位共六十二页B.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(zázhì)，称为间隙原子，有自间隙原子（self-interstitials）和间隙杂质（interstitialimpurities）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。共六十二页C.替换原子晶格结点(jiédiǎn)上出现了外来的原子，替换原来的原子。(Substitutionalimpurities)共六十二页(2).线状缺陷(quēxiàn)（Lineardefects）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(Planardefects)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。共六十二页A.晶体表面（grainsurfaces)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（grainboundaries)光性方位不同的相邻晶粒或亚晶粒间的界面称为(chēnɡwéi)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12℃为大角度晶界，小于12℃为小角度晶界，也称为亚晶界共六十二页大角度(jiǎodù)晶界共六十二页共六十二页小角度(jiǎodù)晶界共六十二页共六十二页共六十二页共六十二页a晶间质点(zhìdiǎn)为过度型电阵结构；b双晶晶界；c密集位错构成的晶界。共六十二页C.堆垛层错是晶体中原子或离子(lízǐ)的堆垛次序被破坏而形成的面缺陷。内存(nèicún)堆垛层错外赋堆垛层错(4).体缺陷包括晶体中的气孔、各种包裹体和沉淀物共六十二页二、位错及其运动(yùndòng)共六十二页共六十二页共六十二页1.位错的含义及类型：位错是一种线状缺陷。位错可以(kěyǐ)分为四种：刃型位错、螺型位错、混合型位错和位错环。共六十二页a.刃型位错：位错线垂直(chuízhí)剪切运动方向。具有附加半原子平面共六十二页共六十二页b.螺型位错:位错线平行于剪切方向，但是(dànshì)由垂直于剪切方向的位移来实现的。没有附加半原子平面。共六十二页共六十二页c.混合型位错：兼有刃性位错和螺型位错的特点(tèdiǎn)，称为混合位错共六十二页d.位错环：闭合(bìhé)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共六十二页2.布格矢量(shǐliàng)位错的形成与晶格的滑动密切相关.滑动包括了滑动方向(fāngxiàng)和距离两个要素,滑动方向(fāngxiàng)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上的闭合差即为布格矢量.共六十二页理想(lǐxiǎng)晶体含有(hányǒu)位错晶体共六十二页刃型位错的布格矢量与位错线垂直.刃型位错分可分为(fēnwéi)正、负刃型位错。布格矢量顺时针为正,反之为负.正刃性位错负刃性位错共六十二页螺型位错的布格矢量与位错线方向平行(píngxíng),可以分为左型和右型.a-右螺型位错b-左螺型位错共六十二页3.位错的一些基本(jīběn)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(shǐliàng)是贯穿整个晶体的滑移矢量(shǐliàng),所以位错线不能终止于晶体内部,或出露晶体表面,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.共六十二页共六十二页共六十二页第三章矿物(kuàngwù)晶体缺陷和位错(2)共六十二页4.位错运动(yùndòng)与增殖位错运动造成了岩石和矿物塑性变形，而位错运动实质是上就是原子运动，只涉及(shèjí)位错周围原子，所以位错运动所需要的临界值比理想的晶体要小的多。与岩石和矿物变形有关的位错运动主要有以下主要几种类型：共六十二页刃性位错滑移(huáyí)：滑动方向与b平行螺型位错滑：移滑动方向与b垂直，由于位错线与b平行，没有(méiyǒu)固定滑移面混合型位错滑移：滑动方向与b成一斜交角度A位错滑动

是指位错沿滑移面的运动，在没有干扰的情况下，各类位错均可最终移出晶界，形成台阶.

所有的位错线的滑动方向均与位错垂直。共六十二页正、负刃性位错在同一滑移面上向遇，相互(xiānghù)抵消，导致位错消失（a）.位错运动可以导致(dǎozhì)位错消失共六十二页正、负刃性位错在相隔滑移面上(miànshànɡ)向遇，形成空位（b）.位错运动(yùndòng)可以形成空位共六十二页（c）.位错运动可以位错塞积当位错滑动时遇到障碍(zhàngài)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.共六十二页B刃型位错攀移

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生位移(沿额外半原子面),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,比滑动需要更大的能量,其发生的条件是(1)要有一定数量的空位存在(cúnzài);(2)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(fāngxiàng)迁移；c-空位扩散到位错核部，使附加半原子平面上升，位错向上攀移共六十二页C螺型位错交叉滑移

螺型位错在某一滑动面滑动遇到障碍时,可以交叉跨越到另一滑动面的过程..螺形位错没有固定滑移面，所有(suǒyǒu)包含位错或与b平行的晶面都可以成为滑移面共六十二页D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(liúxià)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.共六十二页E.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(chǎnshēng)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。在与位错AB的b方向(fāngxiàng)相同的剪切应力作用下发生弯曲位错线向外扩展ABCD共六十二页三、位错亚构造(gòuzào)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.自由位错晶体中单个离散(lísàn)的位错，称为自由位错，也叫做非边界位错。自由位错的密度是一个重要参数：ρ=l/v单位体积内所含的位错长度，也与差值应力有关：ρ=(