位錯(cuò)的基本類(lèi)型和特征

位錯(cuò)是晶體原子排列的一種特殊組態(tài)。位錯(cuò)的概念最早是在研究晶體滑移過(guò)程時(shí)提出來(lái)的。

當(dāng)金屬晶體受力發(fā)生塑性變形時(shí)，一般是通過(guò)滑移過(guò)程進(jìn)行的，即晶體中相鄰兩部分在切應(yīng)力作用下沿著一定的晶面和晶向相對(duì)滑動(dòng)，滑移的結(jié)果是在晶體表面上出現(xiàn)明顯的滑移痕跡——滑移線(xiàn)。

位錯(cuò)分類(lèi)

從位錯(cuò)的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)看，可將它們分為兩種基本類(lèi)型，即刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。

01 刃型位錯(cuò)

刃型位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

含有刃型位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)

設(shè)含位錯(cuò)的晶體為簡(jiǎn)單立方晶體，在其晶面ABCD上半部存在多余的半排原子面EFGH，這個(gè)半原子面中斷于ABCD面上的EF處，它好像一把刀刃插入晶體中，使ABCD面上下部分晶體之間產(chǎn)生了原子錯(cuò)排，故稱(chēng)為“刃型位錯(cuò)”，多余的半原子面與滑移面的交線(xiàn)EF就稱(chēng)作刃型位錯(cuò)線(xiàn)。

刃型位錯(cuò)形成的動(dòng)圖：

刃型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

01

刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱(chēng)為正刃型位錯(cuò)，記為“┻”，；而把多出在下邊的稱(chēng)為負(fù)刃型位錯(cuò)，記為“┰”。其實(shí)這種正、負(fù)之分只具有相對(duì)意義，而無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。

02

刃型位錯(cuò)線(xiàn)可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線(xiàn)。它不一定是直線(xiàn)，也可以是折線(xiàn)或曲線(xiàn)，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量，如下圖所示：

幾種形狀的刃型位錯(cuò)線(xiàn)

03

滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線(xiàn)和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個(gè)。

04

晶體中存在刃型位錯(cuò)之后，位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面的上方點(diǎn)陣受到壓應(yīng)力，下方點(diǎn)陣受到拉應(yīng)力；負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。

05

在位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)倪^(guò)渡區(qū)（畸變區(qū)）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區(qū)是狹長(zhǎng)的管道，所以刃型位錯(cuò)是線(xiàn)缺陷。

02 螺型位錯(cuò)

螺型位錯(cuò)是另一種基本類(lèi)型的位錯(cuò)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可用下圖加以說(shuō)明。

設(shè)立方晶體右側(cè)受到切應(yīng)力τ的作用，其右側(cè)上下兩部分晶體沿滑移面ABCD發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)，如圖a所示：

這時(shí)已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線(xiàn)bb’（位錯(cuò)線(xiàn)）不是垂直，而是平行于滑移方向。下圖b是位錯(cuò)線(xiàn)bb'附近原子排列的頂視圖。

以圓點(diǎn)“.”表示滑移面ABCD下方的原子，用圓圈“○”表示滑移面上方的原子。

可以看出，在aa’右邊晶體的上下層原子相對(duì)錯(cuò)動(dòng)了一個(gè)原子間距，而在bb’和aa’之間出現(xiàn)了一個(gè)約有幾個(gè)原子間距寬的、上下層原子位置不相吻合的過(guò)渡區(qū)，這里原子的正常排列遭到破壞。

如果以位錯(cuò)線(xiàn)bb’為軸線(xiàn)，從a開(kāi)始，按順時(shí)針?lè)较蛞来芜B接此過(guò)渡區(qū)的各原子，則其走向與一個(gè)右螺旋線(xiàn)的前進(jìn)方向一樣（見(jiàn)圖c）。

這就是說(shuō)，位錯(cuò)線(xiàn)附近的原子是按螺旋形排列的，所以把這種位錯(cuò)稱(chēng)為螺型位錯(cuò)。

螺型位錯(cuò)的形成動(dòng)圖：

01螺型位錯(cuò)具有以下特征：

01

螺型位錯(cuò)無(wú)額外半原子面，原子錯(cuò)排是呈軸對(duì)稱(chēng)的；

02

根據(jù)位錯(cuò)線(xiàn)附近呈螺旋形排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺旋位錯(cuò)可分為右螺旋和左螺旋型位錯(cuò)；

03

螺型位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量平行，因此一定是直線(xiàn)，而且位錯(cuò)線(xiàn)的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相垂直。

04

純螺型位錯(cuò)的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯(cuò)線(xiàn)的平面都可以作為它的滑移面。但實(shí)際上，滑移通常是在那些原子密排面上進(jìn)行的；

05

螺型位錯(cuò)線(xiàn)周?chē)狞c(diǎn)陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯(cuò)線(xiàn)的切應(yīng)變而無(wú)正應(yīng)變，則不會(huì)引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯(cuò)線(xiàn)的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。

06

螺型位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線(xiàn)距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個(gè)原子寬度的線(xiàn)缺陷。

03 混合位錯(cuò)

除了上面介紹的兩種基本型位錯(cuò)外，還有一種其滑移矢量既不平行也不垂直位錯(cuò)線(xiàn)，而與位錯(cuò)線(xiàn)相交成任意角度，這種位錯(cuò)稱(chēng)為混合位錯(cuò)。

下圖是形成混合位錯(cuò)時(shí)晶體局部滑移的情況：

這里，混合位錯(cuò)線(xiàn)是一條曲線(xiàn)。

? 在A處，位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量平行，因此是螺型位錯(cuò)；

? 而在C處，位錯(cuò)線(xiàn)與滑移矢量垂直，因此是刃型位錯(cuò)。

? A與C之間，位錯(cuò)線(xiàn)既不垂直也不平行于滑移矢量，每一小段位錯(cuò)線(xiàn)都可以分解為刃型和螺型兩個(gè)分量。

混合位錯(cuò)附近的原子組態(tài)如下圖所示：

注意：由于位錯(cuò)線(xiàn)是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線(xiàn)。因此，位錯(cuò)具有一個(gè)重要的性質(zhì)，即一根位錯(cuò)線(xiàn)不能終止與晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。

若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯(cuò)線(xiàn)相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線(xiàn)。形成封閉線(xiàn)的位錯(cuò)稱(chēng)為位錯(cuò)環(huán)。

顯然，位錯(cuò)環(huán)各處的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以按各處的位錯(cuò)線(xiàn)方向與滑移矢量的關(guān)系加以分析，如A,B處是刃型位錯(cuò)，C,D兩處是螺型位錯(cuò)，其他各處均為混合位錯(cuò)。

審核編輯：黃飛