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1、吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University位错的基本类型及特征工程材料理论切变强度与实际强度相差1001000倍晶体中位错的基本类型1.刃型位错2.螺型位错3.混合位错2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University刃型位错刃型位错可以想像为晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这个原子平面中断处的边沿及其周围区域是一个刃型位错正刃型：位错半原子面位于某晶面的上半部位置的称为，记号“”表示中断处的边沿犹如在晶体中插入一把刀刃，故
2、称之为“刃型位错”，在刃口处的原子列定义为“刃型位错线”负刃型：位错半原子面位于某晶面下半部的称为，以“T”表示含有刃型位错的晶体结构示意图 2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University刃型位错线周围的弹性畸变刃型位错线周围的弹性畸变点阵畸变是对称的，位错中心受到畸变度最大，离开位错中心畸变程度减小刃位错周围原子不同程度地偏离平衡位置，使周围点阵发生弹性畸变正刃型位错：晶面上部原子拥挤，受压应力，晶面下部原子受拉应力一般把点阵畸变程度大于正常原子间距1/4的区域宽度定义为位错宽度，约为25
3、个原子间距位错线长度有数百个到数万个原子间距，与位错长度相比，位错宽度非常小，所以把位错看作是线缺陷 2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University位错形成位错形成可能是在晶体形成过程（凝固或冷却）中产生的晶体在塑性变形时也会产生大量的刃型位错2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University晶体局部滑移形成刃型位错晶体局部滑移形成刃型位错 力作用在晶体右上角，使右上角的上半部晶体沿滑移面向左
4、作局部移动，使原子列移动了一个原子间距，从而形成一个刃型位错2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University晶体局部滑移形成刃型位错晶体局部滑移形成刃型位错原子完整排列2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University晶体局部滑移形成刃型位错晶体局部滑移形成刃型位错受切应力作用原子面移动2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学
5、院院 JiShou University晶体局部滑移形成刃型位错晶体局部滑移形成刃型位错受切应力作用原子面移动2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University晶体局部滑移形成刃型位错晶体局部滑移形成刃型位错出现多余半原子面，表面形成台阶2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University晶体中的纯刃型位错环晶体中的纯刃型位错环 刃型位错不一定是直线，可以是折线或曲线从滑移这个角度来看，可以把位错定
6、义为晶体中已滑移区域和未滑移区域的边界晶体中的位错作为滑移区的边界，就不可能中断于晶体内部，它们或者中止于表面，或者中止于晶界和相界，或者与其它位错线相交，或者自行在晶体内形成一个封闭环EFGH是位错环，是由于晶体中多了一片EFGH的原子层所造成的这种位错环多由于空位集团崩塌而形成2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University几种不规则的刃型位错几种不规则的刃型位错2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou
7、 University刃型位错特征刃型位错特征（1）是由一个多余半原子平面所形成的线缺陷，位错宽度25个原子间距，位错是一管道（4）晶体中产生刃型位错时，其周围点阵产生弹性畸变，既有正应变，又有切应变，使晶体处于受力状态，就正刃型位错而言，滑移面上方原子受到压应力，下方原子受到拉应力。负刃型位错则刚好相反（2）位错滑移矢量b垂直于位错线，位错线和滑移矢量构成滑移的唯一平面即滑移面（3）位错线不一定是直线，形状可以是直线，折线和曲线，位错环2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University2.2.
8、2 螺型位错 假定在一块简单立方晶体中沿某一晶面切一刀缝，贯穿于晶体右侧至BC处在晶体的右侧上部施加一切应力，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距BC线左边晶体未发生滑移，出现已滑移区与未滑移区的边界BC2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University螺型位错（Screw dislocation）右侧晶体上下两部分发生晶格扭动从俯视角度看，在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面畸变区的尺寸与长度相比小得多，在畸变区范围内称为螺型位错已滑移区和未滑
9、移区的交线BC则称之为螺型位错线2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University螺型位错分类螺型位错分类按照螺旋面前进的方向与螺旋面旋转方向的关系分螺型位错与刃型位错的主要区别左螺型位错右螺型位错符合右手定则（右手拇指代表螺旋面前进方向，其它四指代表螺旋面旋转方向）的称为右螺型位错，符合左手定则的称为左螺型位错螺型位错线与滑移矢量平行螺型位错受力时只存在平行位错线的切应力，而无正应力螺型位错线移动方向与滑动方向相垂直2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与
10、 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University螺型位错特征：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 5）位错线的移动方向与晶块滑移方向、应力矢量互相垂直 4）螺位错周围的点阵也发生弹性畸变，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）螺位错可以有无穷个滑移面实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故滑移面有限2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou Uni
11、versity2.2.3 混合位错位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度滑移面ABC范围内原子发生了位移，其滑移矢量用b表示混合位错的形成 位错线上任一点的滑移矢量相同晶体右上角在外力F作用下发生切变弧线AC即是位错线，为已滑移区和未滑移区的边界，与滑移矢量成任意角度是晶体中较常见的一种位错2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University混合位错混合位错 AC位错线中混合位错原子组态 靠近A端的位错线段平行于滑移矢量，属于纯螺型位错靠近C端的位错线段垂直于滑移矢量，属于纯刃型位错其余部分线段与
12、滑移矢量成任意角度，属混合位错每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University混合位错混合位错每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University2.3 柏氏矢量柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量表示位错区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度是矢量1939年Burgers提出，故称该矢量为“柏格斯矢量”或“柏
13、氏矢量”用b 表示2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University柏氏矢量的确定方法1）人为假定位错线方向2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向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柏氏回路，在完整晶体中按相同的路线和步法作回路，路线终点指向起点的矢量，即“柏氏矢量”使位错线的正向与右螺旋的正向一致一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou
14、University刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量刃型位错的柏氏回路与柏氏矢量 刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量(a)含有位错的晶体；(b)供比较用的理想晶体 2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University确定刃型位错的右手法则确定刃型位错的右手法则2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量螺型位错的柏氏回路和柏氏矢量2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首
15、首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University从柏氏矢量和位错线取向关系确定位错类型从柏氏矢量和位错线取向关系确定位错类型(1)刃型位错：柏氏矢量与位错线相垂直位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质(2)螺型位错：柏氏矢量与位错线相平行，柏氏矢量与位错线同向的则为右螺型位错，柏氏矢量与位错线反向的则为左螺型位错(3)混合位错：柏氏矢量与位错线成任意角度2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University螺型位错类型判断螺型位错类型判
16、断确定左、右螺型位错类型右手法则2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University1）表征位错线的性质柏氏矢量b的物理意义2）表征了总畸变的积累3）表征了位错强度据b与位错线的取向关系可确定位错线性质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同一晶体中b大的位错有严重点阵畸变，能量高且不稳定位错许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理
17、与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University位错是滑移区和未滑移区的边界柏氏矢量b的物理意义螺型位错滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距，和柏氏矢量完全一致畸变是由滑移面上局部滑移引起的，滑移区上滑移的大小和方向与位错线上原子畸变特征一致刃型位错滑移区的滑移方向正好垂直于位错线，滑移量为一个原子间距对于任意位错，不管其形状如何，只要知道它的柏氏矢量，就得知晶体滑移的方向和大小，而不必从原子尺度考虑运动细节，为讨论塑性变形提供了方便4）柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后，晶体上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量2014年3月10日11时1
18、分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University1）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3柏氏矢量特征2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和一条位错线只有一个柏氏矢量如有几根位错线的方向均指向或离开节点，这些位错线的柏氏矢量之和值为零三位错线相遇于一点2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University位错密度位错密度位错密度计算示意图2014年3月10日11时1分刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University位错的密度位错的密度1.单位体积内位错线的总长度=L/s=N/s2.单位面积位错露头数当位错线方向任意时当位错线全部平行时s=退火良好的金属晶体，=106-108cm-2,剧烈冷加工金属=1010-1012cm-2，细心制备和处理的半导体材料，约为106cm-2,甚至为02s=2014年3月10日11时1分刘志勇