位错的基本类型和特征

位错（Dislocation）是晶体材料中原子排列的线缺陷，对材料的力学性能（如强度、塑性、蠕变等）有决定性影响。位错的基本类型包括刃型位错、螺型位错和混合位错，每种类型的几何特征和运动方式不同。

1. 位错的基本类型

(1) 刃型位错（Edge Dislocation）

• 定义：
  晶体中多插入（或缺失）半个原子面，导致原子面在位错线处终止，形成刃状边缘。

• 特征：

  • 位错线方向（l?l）：垂直于伯格斯矢量（b?b），即 l?⊥b?l⊥b。

  • 伯格斯矢量（Burgers Vector）：表征晶格畸变的大小和方向，垂直于位错线。

  • 滑移面：由位错线和伯格斯矢量共同确定（l?×b?l×b）。

• 运动方式：

  • 滑移（Glide）：沿滑移面运动（需切应力作用）。

  • 攀移（Climb）：垂直于滑移面运动（需空位或间隙原子扩散，高温下易发生）。

(2) 螺型位错（Screw Dislocation）

• 定义：
  原子面沿位错线螺旋排列，形成螺旋状的晶格畸变。

• 特征：

  • 位错线方向（l?l）：平行于伯格斯矢量（l?∥b?l∥b）。

  • 伯格斯矢量：沿位错线方向。

  • 滑移面：由于 l?∥b?l∥b，滑移面不，可在多个滑移系上运动。

• 运动方式：

  • 滑移（Glide）：沿伯格斯矢量方向运动（需切应力）。

  • 交滑移（Cross-slip）：在不同滑移面之间切换（如BCC金属中常见）。

(3) 混合位错（Mixed Dislocation）

• 定义：
  位错线既不平行也不垂直于伯格斯矢量，而是呈一定角度，可分解为刃型分量和螺型分量。

• 特征：

  • 位错线方向（l?l）：与伯格斯矢量（b?b）成任意角度。

  • 伯格斯矢量分解：

    b?=b?edge+b?screw
    

    • b?edgebedge（刃型分量）：⊥l?⊥l。

    • b?screwbscrew（螺型分量）：∥l?∥l。

• 运动方式：
  兼具刃型和螺型位错的滑移特性，但攀移仍受扩散限制。

• 示例：
  实际晶体中的位错通常为混合型，如金属塑性变形时的弯曲位错线。

2. 位错的特征参数

3. 位错的观测与影响

(1) 观测方法

• 透射电子显微镜（TEM）：直接观察位错线。

• X射线衍射（XRD）：通过衍射峰宽化分析位错密度。

• 蚀刻法：化学腐蚀后显微镜观察位错露头点。

(2) 位错对材料性能的影响

• 强化机制：

  • 位错缠结、林位错阻碍运动 → 提高强度（加工硬化）。

  • 细晶强化（晶界阻碍位错运动）。

• 塑性变形：
  位错滑移是金属塑性变形的主要机制。

• 蠕变与疲劳：
  高温下位错攀移导致蠕变；循环载荷下位错积累导致疲劳裂纹。

4. 常见问题

Q1：为什么刃型位错可以攀移，而螺型位错不能？

• 刃型位错：攀移需要原子扩散（空位或间隙原子运动），与半原子面的增加或减少相关。

• 螺型位错：无额外半原子面，无法直接攀移，但可通过交滑移改变滑移面。

Q2：位错密度如何计算？

典型退火金属：1010～1012?m?21010～1012m?2；
冷变形金属：1015～1016?m?21015～1016m?2。

5. 总结

• 刃型位错：l?⊥b?l⊥b，可滑移和攀移。

• 螺型位错：l?∥b?l∥b，可滑移和交滑移。

• 混合位错：兼具两者特性，实际材料中常见。

• 位错运动决定材料的塑性、强度和失效行为。