位錯的基本類型和特征

位錯是晶體原子排列的一種特殊組態。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力作用下沿著一定的晶面和晶向相對滑動，滑移的結果是在晶體表面上出現明顯的滑移痕跡——滑移線。

位錯分類

從位錯的幾何結構來看，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

刃型位錯的結構如下圖所示：

含有刃型位錯的晶體結構

設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。

刃型位錯形成的動圖：

刃型位錯結構的特點：

01

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，而無本質的區別。

02

刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線。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

03

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，由它們所構成的平面只有一個。

04

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

05

在位錯線周圍的過渡區（畸變區）每個原子具有較大的平均能量。但該區只有幾個原子間距寬，畸變區是狹長的管道，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，它的結構特點可用下圖加以說明。

設立方晶體右側受到切應力τ的作用，其右側上下兩部分晶體沿滑移面ABCD發生了錯動，如圖a所示：

這時已滑移區和未滑移區的邊界線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，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。

螺型位錯的形成動圖：

01螺型位錯具有以下特征：

01

螺型位錯無額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱的；

02

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

03

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。

04

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；

05

螺型位錯線周圍的點陣也發生了彈性畸變，但是，只有平行于位錯線的切應變而無正應變，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。

06

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如下圖所示：

注意：由于位錯線是已滑移區和未滑移區的邊界線。因此，位錯具有一個重要的性質，即一根位錯線不能終止與晶體內部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。

若它終止于晶體內部，則必與其他位錯線相連接，或在晶體內部形成封閉線。形成封閉線的位錯稱為位錯環。

顯然，位錯環各處的位錯結構類型可以按各處的位錯線方向與滑移矢量的關系加以分析，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。

審核編輯：黃飛