位錯的生成和增值

01

位錯密度

位錯密度為單位體積內位錯線的總長度，其數學表達式為：

L為位錯線總長度，V為晶體的體積

但由于無法測量實際晶體內位錯線的總長度，近似用穿過單位面積晶面的位錯條數來表示位錯密度：

為每條位錯線的長度，n為在面積A中所見到的位錯數目

實驗結果表明：

超純金屬單晶體的位錯密度可低于103 cm-2

退火態金屬的位錯密度約為 106~108 cm-2

強烈塑性變形后的金屬中位錯密度約為 1010~1012 cm-2

02

位錯的生成

晶體中的位錯來源主要可有以下幾種。

1). 晶體生長過程中產生位錯。其主要來源有：

① 由于熔體中雜質原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點陣常數也有差異，可能形成位錯作為過渡；

② 由于溫度梯度、濃度梯度、機械振動等的影響，致使生長著的晶體偏轉或彎曲引起相鄰晶塊之間有位相差，它們之間就會形成位錯；

③ 晶體生長過程中由于相鄰晶粒發生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時體積變化的熱應力等原因會使晶體表面產生臺階或受力變形而形成位錯。

2). 由于自高溫較快凝固及冷卻時晶體內存在大量過飽和空位，空位的聚集能形成位錯。

3). 晶體內部的某些界面（如第二相質點、孿晶、晶界等）和微裂紋的附近，由于熱應力和組織應力的作用，往往出現應力集中現象，當此應力高至足以使該局部區域發生滑移時，就在該區域產生位錯。

03

位錯的增值

晶體的塑性變形以滑移方式進行，當滑移量為一千個原子間距時才可能形成可見的滑移帶；但單個位錯運動，掃過滑移面時，則只形成一個原子間距的相對位移后即消失。

晶體的滑移不是固有位錯的滑移造成的。因此，位錯必然通過某種方式不斷增殖！

（1）弗蘭克-里德（Frank-Read, FR）位錯源

若某滑移面有一段刃型位錯AB，兩端固定不能運動。在沿其垂直線方向外加應力使位錯沿滑移面運動，由于兩端固定，所以只能使位錯線彎曲。

在應力作用下，先生成一小段彎曲的位錯線，再生成相互抵消的左螺位錯和右螺位錯，然后形成一閉合的位錯環和環內的一小段彎曲位錯線。若持續施加應力，位錯環會向外擴張，且位錯環內的彎曲位錯恢復直線，并產生新的位錯環。周而復始，實現位錯增殖。

F-R位錯源增殖機制

F-R位錯源增殖機制的動圖演示

弗蘭克-瑞德(F-R)源的產生：

刃型位錯的攀移

位錯交割后形成固定割階

螺型位錯交滑移

弗蘭克-瑞德(F-R)源發生作用的條件：

外加切應力大于位錯運動點陣摩擦力和障礙物阻力。

外加切應力τ與位錯線曲率半徑γ之間的關系為：τ=Gb/2r

即曲率半徑越小，則需要的切應力越大。

當位錯AB彎曲成半圓時，曲率半徑最小，所需的切應力最大。

此時r=L/2，L為A與B之間的距離。

所以F-R源開動的臨界切應力為：τc=Gb/L

（2）雙交滑移增殖機制

螺型位錯在雙交滑移后，可形成不在原滑移面，且阻礙原位錯線運動的刃型割階，使原位錯成為一個F-R源。

有時在第二個(111)面擴展出來的位錯圈又可以通過交滑移轉移到第三個(111)面上進行增殖，從而使位錯迅速增加。因此，它是比上述的弗蘭克-瑞德更有效的增殖機制

雙交滑移增殖機制

審核編輯：劉清