1、实际晶体的位错组态：实际晶体的位错组态：具有简单立方晶体位错的具有简单立方晶体位错的共性共性；还有一些还有一些特性特性。原因原因：晶体结构不同晶体结构不同。一、常见金属晶体中的位错一、常见金属晶体中的位错1 1、全位错和、全位错和 不全位错不全位错简单立方晶体简单立方晶体：柏氏矢量：柏氏矢量b b等于点阵矢量等于点阵矢量。实际晶体：实际晶体：位错的柏氏矢量即可位错的柏氏矢量即可等于点阵矢量等于点阵矢量，还，还可能可能小于或大于点阵矢量小于或大于点阵矢量。单位位错单位位错：柏氏矢量：柏氏矢量等于等于单位点阵矢量单位点阵矢量的位错。的位错。全位错全位错：柏氏矢量为：柏氏矢量为单位点阵矢量单位点阵矢
2、量或或其倍数其倍数的位错。的位错。单位位错是全位错的一种。单位位错是全位错的一种。全位错滑移后：晶体全位错滑移后：晶体原子排列不变原子排列不变。不全位错不全位错：柏氏矢量：柏氏矢量不等于单位点阵矢量整数倍不等于单位点阵矢量整数倍的位错。的位错。部分位错部分位错：柏氏矢量：柏氏矢量小于小于单位点阵矢量单位点阵矢量的位错。的位错。部分位错也属于不全位错。部分位错也属于不全位错。不全位错滑移后：原子不全位错滑移后：原子排列规律发生变化排列规律发生变化。柏氏矢量应符合的条件柏氏矢量应符合的条件：晶体结构条件晶体结构条件和和能量能量条件条件。晶体结构条件晶体结构条件：柏氏矢量必须：柏氏矢量必须连接晶体中
3、原子连接晶体中原子的平衡位置的平衡位置。能量条件能量条件：柏氏矢量必须：柏氏矢量必须使位错处于低能量状使位错处于低能量状态态。从结构条件看：柏氏矢量可取很多。从结构条件看：柏氏矢量可取很多。从能量条件看：柏氏矢量从能量条件看：柏氏矢量越小越好越小越好。实际晶体中存在的柏氏矢量只限于少数实际晶体中存在的柏氏矢量只限于少数几个最几个最短的点阵矢量短的点阵矢量。1 1、堆垛层错、堆垛层错用用 表示表示ABAB、BCBC、CACA的堆垛顺序，用的堆垛顺序，用 表示表示BABA、CBCB、ACAC的堆垛顺序。的堆垛顺序。f.c.cf.c.c点阵点阵：由：由密排面密排面111111堆积而成，其原子堆堆积而
4、成，其原子堆垛顺序为垛顺序为 ABCABCABCABC用符号表示为用符号表示为h.c.ph.c.p点阵点阵：由：由密排面密排面00010001堆垛而成，顺序为堆垛而成，顺序为ABABABABABAB用符号表示为用符号表示为密排面的堆垛顺序密排面的堆垛顺序a）面心立方结构；）面心立方结构；b）密排六方结构）密排六方结构ABAABCAATOMIC PACKINGPacking mode 1(ABCABC)堆垛层错堆垛层错：晶体中某一区域：晶体中某一区域堆垛顺序差错堆垛顺序差错而产而产生的生的晶面错排晶面错排的面缺陷。（简称层错）的面缺陷。（简称层错）抽出型层错：抽出型层错：在正常堆垛顺序中在正常堆
5、垛顺序中抽去了一层原抽去了一层原子面子面。插入型层错插入型层错：在正常堆垛顺序中：在正常堆垛顺序中插入了一层原插入了一层原子面子面。一个插入型层错，相当于两层抽出型堆垛层错。一个插入型层错，相当于两层抽出型堆垛层错。面心立方结构的堆垛层错面心立方结构的堆垛层错a）抽出型；）抽出型；b）插入型）插入型密排六方晶体：密排六方晶体：只能通过只能通过插入一个插入一个C C层层形成层错。形成层错。原堆垛顺序：原堆垛顺序：ABABABABABABABAB插入后的变堆垛顺序：插入后的变堆垛顺序：ABABC CABABABAB或或ABAABAC CBAB BAB 。层错能层错能层错破坏了晶体的完整性和正常周期
6、性，使层错破坏了晶体的完整性和正常周期性，使电子发生反常的衍射效应，故电子发生反常的衍射效应，故使能量有些增加使能量有些增加，此此能量增量能量增量称为堆垛层错能。称为堆垛层错能。层错能层错能：产生单位面积层错所需要的能量产生单位面积层错所需要的能量。形成层错时，几乎形成层错时，几乎不产生点阵畸变不产生点阵畸变，层错能，层错能主要主要是电子能是电子能。一般可用。一般可用实验方法间接实验方法间接测得。测得。一些金属的层错能一些金属的层错能金属金属 Co Ag Cu Au Al Ni Co Ag Cu Au Al Ni A A不锈钢不锈钢层错能层错能 0.02 0.02 0.04 0.06 0.20
7、 0.25 0.02 0.02 0.04 0.06 0.20 0.25 0.013 0.013(J/m(J/m2 2)金属中出现层错的几率与层错能有关，金属中出现层错的几率与层错能有关，层错能越低，出现层错的几率越大层错能越低，出现层错的几率越大，层层错能越高，则几率越小。错能越高，则几率越小。A A不锈钢、不锈钢、黄铜黄铜层错能很低层错能很低，可看，可看到到大量的大量的层错层错；而而铝铝的的层错能很高，看不到层错。层错能很高，看不到层错。晶体的晶体的部分区域发生部分区域发生层层错时，堆垛层错与完整晶错时，堆垛层错与完整晶体的体的边界就是位错边界就是位错。此时，位错的此时，位错的柏氏矢量柏氏矢
8、量不等于点阵矢量不等于点阵矢量，所以是，所以是不全位错不全位错。根据层错的形成方式不根据层错的形成方式不同同,面心立方晶体中有两种面心立方晶体中有两种不全位错。不全位错。层错的边界为位错层错的边界为位错肖克莱不全位错肖克莱不全位错肖克莱不全位错：晶体中滑移面上的某一原肖克莱不全位错：晶体中滑移面上的某一原子层子层滑移滑移 到另一原子层的位置而形成的到另一原子层的位置而形成的 垛层垛层错与完整晶体的边界错与完整晶体的边界。121 6a右侧：右侧：ABABCABCABCABCCABC正常顺序，正常顺序，左侧：左侧：ABABCBCBCABCCABC，有层错存在有层错存在ABAB，BCBC。滑移矢量：
9、滑移矢量：肖克莱不全位错是肖克莱不全位错是借不均匀滑移借不均匀滑移 形成的形成的层错层错与完整晶体的周界与完整晶体的周界。柏氏矢量：柏氏矢量：；方向平行于层错面，与位错线互相垂直，是方向平行于层错面，与位错线互相垂直，是刃型不全位错刃型不全位错。它它可以在可以在111111面上滑移面上滑移，其滑移相当于层错，其滑移相当于层错面扩大或缩小。面扩大或缩小。它它不能攀移不能攀移，若攀移离开层错面，是不可能，若攀移离开层错面，是不可能的。的。1216ab 弗兰克不全位错：弗兰克不全位错：弗兰克不全位错：在完整晶体中弗兰克不全位错：在完整晶体中插入半层或插入半层或抽去半层密排面抽去半层密排面 11111
10、1产生的产生的层错与完整晶体之层错与完整晶体之间的边界间的边界。左半部抽去左半部抽去半层半层B原子，产原子，产生堆垛层错，层生堆垛层错，层错区与完整晶体错区与完整晶体的边界的边界(垂直于垂直于纸面纸面)。弗兰克不全位错的特点：弗兰克不全位错的特点：柏氏矢量：柏氏矢量：。方向：与层错面方向：与层错面111111垂直，也与位错线垂直，垂直，也与位错线垂直，虽然是虽然是纯刃型位错纯刃型位错，但柏氏矢量不在层错面，但柏氏矢量不在层错面(滑滑移面移面)上，上，不能滑移，是一种不动位错不能滑移，是一种不动位错。但可通过点缺陷的凝集但可通过点缺陷的凝集(进来进来)或扩散或扩散(出去出去)，沿层错面沿层错面进
11、行进行攀移攀移，攀移的结果可，攀移的结果可使层错面使层错面扩大扩大或或缩小缩小。1113a三、位错反应三、位错反应位错反应位错反应：位错的：位错的合并或分解合并或分解统称为位错反统称为位错反应。应。位错反应自发进行，必须满足两个条件：位错反应自发进行，必须满足两个条件：(1)(1)几何条件几何条件：根据柏氏矢量守恒性，：根据柏氏矢量守恒性，反应前反应前后后诸位错的诸位错的柏氏矢量之和柏氏矢量之和相等。相等。即：即：b b前前=b=b后后。(2)(2)能量条件能量条件：按照热力学要求，：按照热力学要求，位错反应后位错反应后应变能应变能必须有所必须有所降低降低。由于位错的应变能正比于位错强度的平方
12、，由于位错的应变能正比于位错强度的平方，可近似地将位错的能量判据取为：可近似地将位错的能量判据取为：|b|b|前前2 2|b|b|后后2 2。例：例：f.c.cf.c.c 几何条件：几何条件：满足；满足；能量条件：能量条件：满足。满足。反应能进行。反应能进行。112621161102aaa 1102330611262116aaaa 23222122222232222221362666,224bbbaaabbaab 汤普森四面体及记号汤普森四面体及记号面心立方晶体中所有重要的位错和位错反应，面心立方晶体中所有重要的位错和位错反应，可以用可以用“汤普森汤普森(Thompson)(Thompson)
13、四面体四面体”表示出来。表示出来。正四面体的正四面体的顶点顶点A A、B B、C C、D D的的坐标坐标：(0,0,0)(0,0,0)，正四面体的正四面体的表面表面，即，即4 4个可能的个可能的滑移面滑移面。ADBADB、ADCADC、BDCBDC、ABCABC正四面体的正四面体的面中点面中点：、。)21,21,0()21,0,21()0,21,21(、)111()111(111)111()(），（），（），（dCba把四面体以三角形把四面体以三角形ABCABC为底展开，则：为底展开，则：6 6个棱边个棱边：代表代表1212个个a/2a/2晶向，即晶向，即全位错全位错1212个个可可能的柏氏矢
14、量。能的柏氏矢量。面中心面中心与与其对角顶点其对角顶点的的4 4条连线条连线：代表代表8 8个个a/3a/3型的滑移矢量，相当于可型的滑移矢量，相当于可能有能有8 8个个弗兰克不全位错弗兰克不全位错的柏氏矢量。的柏氏矢量。面的顶点面的顶点与与中点的中点的1212条连线条连线：代表代表2424个个a/6a/6型的滑移矢量，相当于型的滑移矢量，相当于可能的可能的2424个个肖克莱不全位错肖克莱不全位错的柏氏矢量。的柏氏矢量。突然汤普森四面体及汤普森记号汤普森四面体及汤普森记号a）面心立方晶体中的四面体；）面心立方晶体中的四面体；b）汤普森四面体；）汤普森四面体；c）汤普森四面体的展开）汤普森四面体
15、的展开面心立方晶体滑移与扩展位错面心立方晶体滑移与扩展位错f.c.cf.c.c点阵的密排面点阵的密排面(111)(111)：A A为第一层原子位为第一层原子位置，置，B B为第二层原子位置。为第二层原子位置。当有切应力作用，当有切应力作用，B B层原层原子应沿滑移方向子应沿滑移方向滑滑移。移。但但B B层原子沿层原子沿101101从从 BBBB，需越过，需越过A A层原子的层原子的“高峰高峰”，需较高能量。，需较高能量。若若B B层原子先从层原子先从BCBC，再从再从CBCB，（经，（经A A层原子层原子间的间的“低谷低谷”），将比），将比 一步滑移容易。一步滑移容易。面心立方晶体滑移面心立方
16、晶体滑移A扩展位错扩展位错：一个全位错分解为一个全位错分解为两个不全位错两个不全位错，中间中间夹着一个堆垛层错夹着一个堆垛层错的的整个位错组态整个位错组态。形成：原子沿形成：原子沿 的一步滑移，分解的一步滑移，分解成沿成沿 和和 的两步滑移。的两步滑移。101 2a121 6a1126a路径虽曲折，但能量路径虽曲折，但能量较小。较小。b b1 1和和b b2 2为两个肖克为两个肖克莱不全位错，它们之间莱不全位错，它们之间为一堆垛层错带。为一堆垛层错带。面心立方晶体中的扩展位错面心立方晶体中的扩展位错FCC晶体中扩展位错的结构晶体中扩展位错的结构(a)示意图示意图(b)相邻两层相邻两层(111)
17、面上原子的排列面上原子的排列未滑移未滑移(无层错）无层错）滑移一次滑移一次(有层错）有层错）滑移两次滑移两次(无层错）无层错）1216a1126a扩展位错的平衡宽度扩展位错的平衡宽度，实际是两个平行的不全，实际是两个平行的不全位错中间夹着的位错中间夹着的层错区的宽度层错区的宽度。决定于两个不全位错间的决定于两个不全位错间的斥力斥力和层错和层错表面张力表面张力间间的平衡。的平衡。b2b2、b3b3同号，互相排斥，单位长度排同号，互相排斥，单位长度排斥力近似为：斥力近似为：dd两位错之间的距离。两位错之间的距离。层错边缘单位长度的张力在数值上与层错能相层错边缘单位长度的张力在数值上与层错能相等，平
18、衡时：等，平衡时：d d与与成反比成反比，与与G G成正比。成正比。大的金属大的金属，d d很小很小，不易形成不易形成扩展扩展位错。位错。如如AlAl，d d约约1212个原子间距，无扩展。个原子间距，无扩展。小的金属小的金属，d d甚大甚大，易于形成易于形成扩展扩展位错。位错。如如CoCo，d d约约3535个原子间距。个原子间距。离子晶体和共价晶体中都有位错。离子晶体和共价晶体中都有位错。与金属相比，共价晶体和离子晶体中固有的与金属相比，共价晶体和离子晶体中固有的位错，特别是位错，特别是可动位错少可动位错少；金属在变形时可大量增殖位错，而共价晶体金属在变形时可大量增殖位错，而共价晶体和离子晶体由于原子结合力很强，位错运动时点和离子晶体由于原子结合力很强，位错运动时点阵阻力大，都导致其阵阻力大，都导致其变形比金属困难变形比金属困难，变形能力，变形能力小，小，塑性差塑性差，变形抗力大，强度高变形抗力大，强度高。金刚石是最硬的材料。金刚石是最硬的材料。
