在實際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運動，以及晶體的形成條件、冷熱加工過程和其他輻射、雜質(zhì)等因素的影響，實際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，即晶體缺陷。

根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可以將它們分為三類：

（1）點缺陷，其特征是在三維空間的各個方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個或幾個原子尺帝，故稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等。

（2）線缺陷，其特征是在兩個方向上尺寸很小，另外一個方向上延伸較長，也稱一維缺陷，如各類位錯；

（3）面缺陷，其特征是在一個方向上尺寸很小，另外兩個方向上擴展很大，也稱二維缺陷。晶界、相界、孿晶界和堆垛層錯等都屬于面缺陷。

在晶體中，這三類缺陷經(jīng)常共存，它們相互聯(lián)系，相互制約，在一定條件下還能互相轉(zhuǎn)化，從而對晶體性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。

位錯分類

位錯是晶體原子排列的一種特殊組態(tài)。位錯的概念最早是在研究晶體滑移過程時提出來的。當金屬晶體受力發(fā)生塑性變形時，一般是通過滑移過程進行的，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滑動，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。

從位錯的幾何結(jié)構(gòu)來看，可將它們分為兩種基本類型，即刃型位錯和螺型位錯。

01

刃型位錯

刃型位錯的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

含有刃型位錯的晶體結(jié)構(gòu)

設(shè)含位錯的晶體為簡單立方晶體，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)生了原子錯排，故稱為“刃型位錯”，多余的半原子面與滑移面的交線EF就稱作刃型位錯線。

刃型位錯結(jié)構(gòu)的特點：

（1）刃型位錯有一個額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱為正刃型位錯，記為“┻”，；而把多出在下邊的稱為負刃型位錯，記為“┰”。其實這種正、負之分只具有相對意義，而無本質(zhì)的區(qū)別。

（2）刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，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線

（3）滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線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。

（4）晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯而言，滑移面的上方點陣受到壓應(yīng)力，下方點陣受到拉應(yīng)力；負刃型位錯與此相反。

（5）在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。

02

螺型位錯

螺型位錯是另一種基本類型的位錯，它的結(jié)構(gòu)特點可用下圖加以說明。

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)生了錯動，如圖a所示：

這時已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線bb’（位錯線）不是垂直，而是平行于滑移方向。

下圖b是位錯線bb'附近原子排列的頂視圖。

以圓點“.”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錯動了一個原子間距，而在bb’和aa’之間出現(xiàn)了一個約有幾個原子間距寬的、上下層原子位置不相吻合的過渡區(qū)，這里原子的正常排列遭到破壞。

如果以位錯線bb’為軸線，從a開始，按順時針方向依次連接此過渡區(qū)的各原子，則其走向與一個右螺旋線的前進方向一樣（見圖c）。

這就是說，位錯線附近的原子是按螺旋形排列的，所以把這種位錯稱為螺型位錯。

螺型位錯具有以下特征：

（1）螺型位錯無額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱的；

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

（3）螺型位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線，而且位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直。

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

（5）螺型位錯線周圍的點陣也發(fā)生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯線的切應(yīng)變而無正應(yīng)變，則不會引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯線的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。

（6）螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個原子寬度的線缺陷。

03

混合位錯

除了上面介紹的兩種基本型位錯外，還有一種其滑移矢量既不平行也不垂直位錯線，而與位錯線相交成任意角度，這種位錯稱為混合位錯。

下圖是形成混合位錯時晶體局部滑移的情況：

這里，混合位錯線是一條曲線。

? 在A處，位錯線與滑移矢量平行，因此是螺型位錯；

? 而在C處，位錯線與滑移矢量垂直，因此是刃型位錯。

? A與C之間，位錯線既不垂直也不平行于滑移矢量，每一小段位錯線都可以分解為刃型和螺型兩個分量。

混合位錯附近的原子組態(tài)如下圖所示：

注意：由于位錯線是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線。因此，位錯具有一個重要的性質(zhì)，即一根位錯線不能終止與晶體內(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，則必與其他位錯線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯稱為位錯環(huán)。

晶體中的位錯環(huán)

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

位錯的密度

除了精心制作的細小晶須外，在通常的晶體中都存在大量的位錯。晶體中位錯的量常用位錯密度來表示。

位錯密度定義為單位體積晶體中所含的位錯線的總長度，其數(shù)學(xué)表達式為：

式中，L為位錯線的總長度，V是晶體的體積。

但是，在實際中，要測定個晶體中位錯線的總長度是不可能的。為了簡便起見，常把位錯線當做直線，并且假定晶體的位錯從晶體的一端平行地延伸到另一端，這樣，位錯密度就等于穿過單位面積的位錯線數(shù)目，即

式中，l為每條位錯線的長度，n為在面積A中所見到的位錯數(shù)目。

顯然，并不是所有位錯線與觀察面相交，故按此求得的位錯密度將小于實際值。

（PS：此處打個小廣告~~~

中材新材料研究院提供透射數(shù)據(jù)分析服務(wù)，位錯密度統(tǒng)計、位錯類型分析300元起，感興趣的小伙伴可文末掃碼聯(lián)系工程師哦~）

利用透射電鏡拍攝、統(tǒng)計

位錯密度注意事項

1、一般要傾轉(zhuǎn)樣品，在僅有一個強衍射束的雙束條件下拍攝；

典型雙束條件示意圖

2、 要注意避開厚度變化大的區(qū)域，避免和減少等厚條紋的干擾；

3、 暗場像要選擇在與明場像相對應(yīng)的條件下進行，以利于進行對比。

編輯：黃飛