位错的基本类型和特征!
位错的基本类型和特征
晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。
根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃位错、螺位错和混合位错。
1. 刃位错
（1）形成及定义：
晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。
AD是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。
刃型位错形成的原因：
晶体局部滑移造成的刃型位错
（2）几何特征：
位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受拉应力作用，原子间距大于正常晶格间距。
刃型位错的分类：
分类：正刃位错，“┴”；负刃位错，“┬”。
符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。
（3）刃型位错的结构特征
①有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；
②位错线可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直;
③只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；
④位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。
就正刃型位错而言，上方受压，下方受拉。
⑤位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。
2. 螺位错
（1）形成及定义：
晶体在外加切应力τ作用下，沿ABCD面滑移，图中AD线为已滑移区与未滑移区的分界处。
由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，形成螺位错。
晶体局部滑移造成的螺型位错
（2）几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。
螺型位错的分类：有左、右旋之分。
它们之间符合左手、右手螺旋定则。
（3）结构特征
①螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排是轴对称的，分右旋和左旋螺型位错；
②螺型位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；
③滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；
④位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；
⑤位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。
3.混合位错
在外力τ作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位错。
如下图所示。
位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。
晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。
混合位错特征：混合位错可分为刃型分量和螺型分量，它们分别具有刃位错和螺位错的特征。
刃：ξ⊥b ；螺：ξ∥b （ξ为位错线正向）。
注意：位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，所以一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。
若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。
形成封闭线的位错称为位错环。
位错环（dislocation loop）是一种典型的混合位错。
4. 位错类型的判定
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晶体缺陷-位错的基本类型与特征
混合位错
总结词
混合位错是一种同时具有刃型和螺旋型 特征的晶体缺陷，其特征是晶体中某处 的原子既发生了平移又发生了螺旋式的 位移。
VS
详细描述
混合位错是刃型位错和螺旋位错的组合体 ，其原子位移同时包含了平移和螺旋式的 位移。混合位错通常出现在晶体的复杂区 域，如晶界、相界等。由于混合位错同时 具有刃型和螺旋型位错的特征，其对晶体 的性能影响也较为复杂，需要进行深入研 究。
滑移与攀移
在切应力作用下，位错能够沿滑移面整列移动，称为滑移； 而垂直于滑移面方向的移动称为攀移。这两种运动方式是 位错在塑性变形中的重要表现。
应变梯度与几何必须位错
当材料的局部区域发生不均匀变形时，会产生应变梯度， 进而促使位错的形成和运动，以协调这种不均匀变形。
位错与材料疲劳断裂
01
疲劳裂纹的萌生与扩展
强化机制
加工硬化
在塑性变形过程中，位错的运动和交 互作用导致材料逐渐变硬，即加工硬 化。这是金属材料常用的强化手段。
通过引入位错，可以增加材料的内应 力，从而提高其屈服强度。这种强化 机制称为位错强化。
位错与材料塑性变形
塑性变形机制
位错在受力时能够运动，从而改变材料的形状。这种运动 机制是金属等材料发生塑性变形的内在原因。
在循环载荷作用下，位错容易在材料的应力集中区域（如晶界、相界或
表面）聚集，形成位错塞积群，进而导致疲劳裂纹的萌生。裂纹的扩展
通常沿特定晶体学平面进行。
02
影响疲劳性能的因素
位错的运动和交互作用对疲劳裂纹的萌生和扩展具有重要影响，进而影
响材料的疲劳性能。例如，材料的抗疲劳性能可以通过引入阻碍位错运
动的合金元素来改善。
晶体缺陷的分类
位错的基本类型
2014年3月10日11时1分
刘志勇 14949732@
吉 首 大 学 物 理 与 机 电 工 程 学 院 JiShou University
柏氏矢量b的物理意义
• 位错是滑移区和未滑移区的边界
• 畸变是由滑移面上局部滑移引起的，滑移区上滑移的大小和方向与位 错线上原子畸变特征一致
• 4）柏氏矢量的另一个重要意义是指出了位错滑移后，晶体 上、下部分产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量
刘志勇 14949732@
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柏氏矢量的确定方法
1）人为假定位错线方向
一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向 使位错线的正向与右螺旋的正向一致 3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 在实际晶体中作柏氏回路，在完整晶体中按相同的路线和 步法作回路，路线终点指向起点的矢量，即“柏氏矢量”
每一段位错线均可分解为刃型和 螺型两个分量
混合位错原子组态
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混合位错
每一段位错线均可分解为刃型和螺型两个分量
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•
•
刃型位错滑移区的滑移方向正好垂直于位错线，滑移量为一个原子间距
螺型位错滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距，和柏氏矢量 完全一致
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确定刃型位错的右手法则2014年3月Fra bibliotek0日11时1分
位错的运动
3.5 柏氏矢量(Burgers Vector)
1939年柏格斯（J.M.Burgers）提出了螺型 1939年柏格斯（J.M.Burgers）提出了螺型 位错的概念和柏氏矢量，使位错的概念普遍化， 并发展了位错应力场的一般理论。柏氏矢量可以 并发展了位错应力场的一般理论。 通过柏氏回路来确定， 图(a)、(b)分别为含有一 个刃型位错的实际晶体和用作参考的不含位错的 完整晶体。
a正刃型位错的滑移
b负刃型位错的滑移
当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体 表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶，即造成了晶体的 塑性变形。若有n个b相同的位错扫过滑移面，则晶体将产 生nb的宏观滑移量，表面上产生nb高的台阶，成为电子 显微镜下看到的滑移线。下图a为原始状态的晶体以及所 加切应力的方向；b、c则为正刃型位错滑移的中间阶段， 可以看见位错线AB沿滑移面逐渐向后移动；应当注意， 在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直， 即与其柏氏矢量相一致。因此，刃型位错的滑移面应是由 位错线与其柏氏矢量所构成的平面。
2.位错的基本类型(Basic 2.位错的基本类型(Basic Types 位错的基本类型 of Dislocation)
位错是晶体中原子排列的一种特殊组 态。已滑移区(Slip Zone)与未滑移区在 滑移面(Slip Plane)上的交界线，称为位 错线，一般简称为位错。 从位错的几何结构来看，可将它们 分为：刃型位错和螺型位错。
3.2.1 刃型位错的滑移
图（a）表示含有一个正刃型位错的晶体点阵。图中实线 表示位错（半原子面PQ）原来的位置，虚线表示位错移 动一个原子间距（如P′Q′）后的位置。可见，位错虽然移 动了一原子间距，但位错附近的原子只有很小的移动。故 这样的位错运动只需加一个很小的切应力就可以实现。图 （b）表明，对于晶体中的负刃型位错，在同样的切应力 作用下，尽管其移动方向与正刃型位错相反（在图中为向 右移动）。
第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_材料科学基础
位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模|b|表示
了畸变的程度，即位错强度。
② 柏氏矢量的守恒性：柏氏矢量与回路起点及其具体途 径无关。一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化 （直线、曲折线或闭合的环状），也不管位错线上各 处的位错类型是否相同，其各部位的柏氏矢量都相同； 而且当位错在晶体中运动或者改变方向时，其柏氏矢 量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
18
第
3.2 位错
三 章
3.2.1 位错的基本类型和特征
1. 位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中
晶
某处一列或若干列原子有规律的错排。
体
• 意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等
缺
起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大
陷
影响。
• 位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚
b l
positive
b
l
negative
Edge dislocations
b
b
right-handed left-handed Screw dislocations
26
3.2
3. 伯氏矢量的特性 位 ① 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理
错
量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即
性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个 数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时 提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表 征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互 作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
➢ 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，
位错
主要内容
位错：位错的基本类型、位错的运动、位错的弹 性性质、位错的来源和位错的增殖； 面缺陷：晶界与亚晶界。
重点内容
1.位错线、位错移动方向、滑移面、切应力方向、 柏氏矢量之间的关系。 2.柏氏矢量的确定。 3.位错的应变能。 4.位错的来源。
5.3 位错 Dislocation,位错是原子的一种特殊组态，是一种 具有特殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷。 位错概念的提出 用于解释晶体的塑性变形。
位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。
在一定的切应力的作用下，位错在滑移面上受到垂 至于位错线的作用力。当此力足够大，足以克服位错运 动时受到的阻力时，位错便可以沿着滑移面移动，这种 沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。
刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向 移动，刃型位错的这种运动称为攀移。
1. 位错的滑移 刃型位错：对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方 向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离， 就使位错由位臵(a)移动到位臵(b)。 当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对 下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b 的台阶。 刃型位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直，故滑 移面为b与t 决定的平面，它是唯一确定的。刃型位 错移动的方向与b方向一致，和位错线垂直。
晶界：约三个原子层厚
3.孪晶界 孪晶界是晶界中最简单的一种。 孪晶关系指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分 沿一个公共晶面（孪晶界）构成镜面对称的位向关系。 孪晶界上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上， 为孪晶的两部分所共有，这种形式的界面称为共格界面。
铜合金中的孪晶
小
基本概念：
结
刃型位错、螺型位错、位错密度、滑移、攀移、 晶界、大角度晶界、小角度晶界、晶界能
位错的基本类型.
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晶体局部滑移形成刃型位错
τ
τ
出现多余半原子面，表面形成台阶
2014年3月10日11时1分
刘志勇 14949732@
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晶体中的纯刃型位错环
从滑移这个角度来看，可以把位错定义为晶体中已滑移区域 和未滑移区域的边界
晶体中的位错作为滑移区的边界，就不可能中断于晶体内部， 它们或者中止于表面，或者中止于晶界和相界，或者与其它 位错线相交，或者自行在晶体内形成一个封闭环
刃型位错不一定是直线，可以是折线或 曲线
EFGH是位错环，是由于晶体中多了一片 EFGH的原子层所造成的
刃型位错特征
（1）是由一个多余半原子平面所形成的线缺陷，位错宽度2~5个原子 间距，位错是一管道 （2）位错滑移矢量b垂直于位错线，位错线和滑移矢量构成滑移的唯一平 面即滑移面 （3）位错线不一定是直线，形状可以是直线，折线和曲线，位错环
（4）晶体中产生刃型位错时，其周围点阵产生弹性畸变，既有正应变，又有切 应变，使晶体处于受力状态，就正刃型位错而言，滑移面上方原子受到压应力， 下方原子受到拉应力。负刃型位错则刚好相反
τ
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晶体局部滑移形成刃型位错
τ
τ
原子完整排列
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位错的基本结构
混合位错的分解
二、柏氏矢量
1939年，柏格斯（J.M.Burgers）提出。 柏氏矢量：用来揭示位错本质，描述位错行为的矢量。 1、柏氏矢量的确定 用柏氏回路确定。 1）人为规定位错线 的正方向。 2）在实际晶体中， 作柏氏回路，回路中的每 一步都连接相邻的原子。 3）在完整晶体中， 按同样的方向和步数作一 个对比回路。从终点Q 到 始点M连接起来的矢量 b ， 即为柏氏矢量。
关系，确定位错的类型。 (1)
b ⊥位错线，刃型位错。将 b
顺时针旋转90°，若 b
的方
向与位错线正向一致，正刃位错；反错线，螺型位错。 b 的方向与位错线正方向一致， 右螺型位错；b 的方向与位错线负方向一致,左螺型位错. (3) b 和位错线成任意角度0＜φ＜90°，混合位错。
混合位错可分解为刃型分量和螺型分量。 be b sin , bs b cos
左、右螺型位错
右螺旋位错：符合右手法则的螺型位错。 左螺旋位错：符合左手法则的螺型位错。 拇指：前进方向；其余四指：旋转方向。
左、右螺型位错有着本质区别，无论将晶体如 何放置，也不可能改变其原本的左、右性质。
3、混合型位错
混合位错：位错线与滑移方向成任意角度的位错。 混合位错线是一条曲线，在A处是螺位错，在C处是刃型 位错，在A与C之间的每一小段位错线都可以分解为刃型和螺 型两个分量。
2、螺型位错
位错模型：
产生：晶体局部滑移产生。 ABCD：滑移面； bb’：螺型位错线，也是已滑移区(AB bb’)与未滑移区 (bb’ CD)在滑移面上的边界线，但平行于滑移方向。
螺型位错线周围的原子
在位错线附近有一个约几个原子间距宽的， 上、下层原子不吻合的过渡区(bb’和aa’之间) 。 位错线附近的原子：按螺旋形排列。
位错理论的应用第二版
03.位错理论在金属切削中的应用
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位错理论的应用
2切削过程中的硬化机理
从位错理论的观点看,加工硬化是随塑性变形进行的,晶中存在各种不 同的障碍它们以不同的方式阻碍着位错的运动,使晶体中位错运动愈来 愈困难,从而导致金属晶体的硬化.由于于位错运动引起晶体结构的变化, 就会在晶体内部产生内应力而阻止滑移继续进行.同时由于变形而新增 殖的位错大多数在晶体内部互相缠结,正是由于这些结和相互干扰,位错 产生的内应力牵制了其它位错的运动.因此,冷加工中产生的硬化主要是 由可动位错与形变本身在材料中积聚的位错之间的弹性相互作用引起的. 加工硬化的金属一旦退火之后,它又变软,又可再进行冷加匚,这是因为在 热激活状态下将消除位错缠结高温下发生的位错攀移倾向于减少位错密 度,并且阻碍位错运动的晶界也会在高温下被瓦解。
不同类型位错的特征
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螺型位错的特征
（1）螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的； （2）根据位错线附近呈螺旋形排列的原子旋转方向不同，螺旋形位错可分 为右旋和左旋位错； （3）螺型位错线和滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方 向与晶体滑移方向相互垂直； （4）纯螺型位错的滑移面不是唯一的； （5）螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是只有平行于位错的切 应变而无正应变，则不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错的平面投 影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷； （6）螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，所以它 也是包含几个原子宽度的线缺陷。
位错理论(3)
5.位错密度
位错密度是指单位体积内位错线的总长度。 其表达式为 LV L / V
式中：LV是体位错密度； L是位错线的总长度； V是晶体的体积。
经常用穿过单位面积的位错数目来表示位错密度。
A n / A
式中：是穿过截面的位错数；是截面面积。 位错密度的单位是cm-2。
5.3.2 位错的运动
位错线
正刃型位错
负刃型位错
透射电镜下观察到的位错线
2. 螺型位错 设想在简单立方晶体右端施加一切应力，使右端 ABCD滑移面上下两部分晶体发生一个原子间距的相对切 变，在已滑移区与未滑移区的交界处，AB线两侧的上下 两层原子发生了错排和不对齐现象，它们围绕着AB线连 成了一个螺旋线，而被AB线所贯穿的一组原来是平行的 晶面则变成了一个以AB线为轴的螺旋面。 此种晶格缺陷被称为螺型位错。螺旋位错分为左旋 和右旋。 以大拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋 面的旋转方向，符合右手法则的称右旋螺旋位错，符合 左手法则的称左旋螺旋位错。
刃型位错和螺型位错的特征。
柏氏矢量的确定。 理解滑移的过程及刃型位错和螺型位错滑移的 特点。 单位长度位错的应变能表示 U=αGb2。
（1）螺型位错的应力场
采用圆柱坐标系。在离开中心r处的切应变为 b Z Z 2r 其相应切应力
Z Z G Z
Gb 2r
式中，G为切变模量。由于圆柱只在Z方向有位移，X,Y方 向无位移，所以其余应力分量为零。 螺型位错应力场是径向对称的，即同一半径上的切 应力相等。且不存在正应力分量。
Gb 2 R WS ln 4 r0
对于刃型位错，单位长度的弹性应变能为
Gb 2 R WE ln 4 (1 ) r0
ch3.2 晶体缺陷--线缺陷(位错)(06级)
第三章 晶体缺陷 ③ 滑移面必须是同时包含有位错线和滑移矢量的平面。位 错线与滑移矢量互相垂直,它们构成平面只有一个。 ④ 晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既 有正应变,也有负应变。点阵畸变相对于多余半原子面是左右对 称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言, 上方受压,下方受拉。 ⑤ 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量。 畸变区是一个狭长的管道。
第三章 晶体缺陷 (3) 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢 量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位臵无关，位 错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变。 (4) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终 止于晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内. (5) 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ξe⊥be，右手法则判断正负 螺型位错: ξs∥bs，二者同向右旋,反向左旋 (6) 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.位错运动导致晶 体滑移时，滑移量大小|b|，滑移方向为柏氏矢量的方向。 (7) 刃型位错滑移面为ξ与柏氏矢量所构成的平面,只有一 个；螺型位错滑移面不定,多个。 (8) 柏氏矢量可以定义为:位错为柏氏矢量不为0的晶体缺 陷。
第三章 晶体缺陷 (3) 混合位错的滑移过程 沿位错线各点的法线方向在滑移面上扩展，滑动方向垂 直于位错线方向。但滑动方向与柏氏矢量有夹角。(hhwc1)
第三章 晶体缺陷
2. 位错的攀移
• 位错的攀移(climbing of disloction) :在垂直于滑移面方 向上运动 • 攀移的实质:刃位错多余半原子面的扩大和缩小，它是通过 物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。 • 刃位错的攀移过程:正攀移,向上运动；负攀移, 向下运动 • 注意：只有刃型位错才能发生攀移；滑移不涉及原子扩散， 而攀移必须借助原子扩散；外加应力对攀移起促进作用，压 （拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的攀移 • 攀移运动外力需要做功，即攀移有阻力。粗略地分析，攀移 阻力约为Gb/5。 • 螺型位错不止一个滑移面，它只能以滑移的方式运动，它是 没有攀移运动的。 • 攀移为非守恒（或非保守）运动，而滑移为守恒（或保守） 运动。