1、第4章 實際晶體結構中的位錯,4.1 實際晶體中位錯的分類 4.2 實際晶體中位錯的柏氏矢量 4.3 位錯反應 4.4 面心立方晶體中的位錯 4.5 體心立方晶體中的位錯 4.6 密排六方晶體中的位錯,4.1 實際晶體中位錯的分類,簡單立方晶體中位錯的柏氏矢量b總是等于點陣矢量。但實際晶體中，位錯的柏氏矢量b除了等于點陣矢量外，還可能小于或大于點陣矢量。通常把柏氏矢量等于單位點陣矢量的位錯稱為“單位位錯”；把柏氏矢量等于點陣矢量或其整數倍的位錯稱為“全位錯”，全位錯滑移后晶體原子排列不變；把柏氏矢量不等于點陣矢量整數倍的位錯稱為“不全位錯”，不全位錯滑移后原子排列規(guī)律發(fā)生變化。,實際晶體結構中

2、，位錯的柏氏矢量不能是任意的，它要符合晶體的結構條件和能量條件。晶體的結構條件是指柏氏矢量必須連接一個原子平衡位置到另一平衡位置。從能量條件看，由于位錯能量正比于b2，b越小越穩(wěn)定，即單位位錯是最穩(wěn)定的位錯。 柏氏矢量b的大小和方向用b=Cuvw表示，其中：C為常數，uvw為柏氏矢量的方向，柏氏矢量的大小為： 。表4.1給出典型晶體結構中，單位位錯的柏氏矢量及其大小和方向。,4.2 實際晶體中位錯的柏氏矢量,表4.1 典型晶體結構中單位位錯的柏氏矢量,位錯反應就是位錯的合并(Merging)與分解(Dissociation)，即晶體中不同柏氏矢量的位錯線合并為一條位錯線或一條位錯線分解成兩條或

3、多條柏氏矢量不同的位錯線。 位錯使晶體點陣發(fā)生畸變，柏氏矢量是反映位錯周圍點陣畸變總和的參數。因此，位錯的合并實際上是晶體中同一區(qū)域兩個或多個畸變的疊加，位錯的分解是晶體內某一區(qū)域具有一個較集中的畸變，松弛為兩個或多個畸變。,4.3 位錯反應(Dislocation Reaction),A 幾何條件 根據柏氏矢量的守恒性，反應后諸位錯的柏氏矢量之和應等于反應前諸位錯的柏氏矢量之和，即 （4-1） B 能量條件 從能量角度要求，位錯反應必須是一個伴隨著能量降低的過程。由于位錯的能量正比于其柏氏矢量的平方，所以，反應后各位錯的能量之和應小于反應前各位錯的能量之和，即 （4-2） 分析位錯反應時，一

4、般先用幾何條件確定位錯反應是否可以進行，然后再利用能量條件來判定位錯反應的方向。,位錯反應能否進行，取決于下列兩個條件：,4.4 面心立方晶體(Face-centered Cubic Crystal)中的位錯,4.4.1 堆垛層錯(Stacking Fault),圖4.1 面心立方晶體中（111）面的正常堆垛,圖4.1是面心立方晶體密排面（111）的正常堆垛示意圖。,在面心立方晶胞中，表示了A、B、C三個相鄰的（111）面上的原子分布。（a）、（b）、（c）三圖分別表示了A層、AB兩層及ABC三層原子面的堆垛情況。如果把原子中心投影到（111）面，可見三層相鄰面上的原子中心在（111）面上的投

5、影位置并不相同，如圖4.1（c）所示。底層為A層，表示B層原子中心的投影位置，表示C層原子中心的投影位置。如果把單位晶胞(Unit Cell)中通過坐標原點O的（111）面上的原子，也作如上投影，那么可以看到，該面上原子中心投影位置與C層原子中心投影位置是相同的。由于晶體點陣的對稱性和周期性，面心立方晶體（111）密排面上的原子在該面上的投影位置是按A、B、C三個原子面的原子投影位置進行周期變化的。可以記為：ABCABCA，這就是面心立方晶體密排面的正常堆垛順序。如果用記號表示原子面以AB、BC、CA順序堆垛，表示相反的順序，如BA、AC、CB，那么面心立方晶體密排面的正常堆垛又可以表示為：，

6、如圖4.1（d）所示。,實際晶體結構中，密排面的正常堆垛順序有可能遭到破壞和錯排，稱為堆垛層錯，簡稱層錯。,圖4.2表示面心立方晶體形成堆垛層錯的方式。,圖4.2 面心立方晶體中的堆垛層錯 （a）抽出型；（b）插入型,若將正常堆垛順序變成ABCBCA（即），其中箭頭所指相當于抽出一層原子面（A層），故稱為抽出型層錯，如圖4.2（a）所示。 若在正常堆垛順序中插入一層原子面（B層），即可表示為ABCBABC，相當于抽出A、C兩層，可表示為ABCBABC（即），其中箭頭所指的為插入B層后所引起的二層錯排，稱為插入型層錯，如圖4.2（b）所示。兩者對比可知, 一個插入型層錯相當于兩個抽出型層錯。,形

7、成層錯時幾乎不產生點陣畸變，但它破壞了晶體的完整性和正常的周期性，使電子發(fā)生反常的衍射效應，故使晶體的能量有所增加，這部分增加的能量稱為堆垛層錯能，用 表示。從能量的觀點來看，晶體中出現(xiàn)層錯的幾率與層錯能有關，層錯能越高，則出現(xiàn)層錯的幾率越小。如在層錯能很低的奧氏體不銹鋼中，常可看到大量的層錯，而在層錯能高的鋁中，就看不到層錯。,4.4.2 不全位錯(Partial Dislocation),若堆垛層錯不是發(fā)生在晶體的整個原子面上而只是部分區(qū)域存在，那么，在層錯與完整晶體的交界處就存在柏氏矢量不等于點陣矢量的不全位錯。在面心立方晶體中有兩種重要的不全位錯：肖克萊（Shockley）不全位錯和弗

8、蘭克（Frank）不全位錯。 A 肖克萊(Shockley)不全位錯 圖4.4為肖克萊不全位錯的刃型結構。,圖4.4 面心立方晶體中的純刃型肖克萊不全位錯,上半圖是面心立方晶體的（0 1）面，圓圈代表前一個面上原子排列的位置，黑點代表后一個面上原子排列的位置。原子的連線看起來似乎是一個平面上的菱形，實際上是一前一后兩個平面上相鄰原子的連線。,上半圖是面心立方晶體的（0 1）面，圓圈代表前一個面上原子排列的位置，黑點代表后一個面上原子排列的位置。原子的連線看起來似乎是一個平面上的菱形，實際上是一前一后兩個平面上相鄰原子的連線。 下半圖是把上半圖中A層與C層在（111）面上作投影。分層使用了不同的

9、符號，代表A層，原子呈密排，代表緊接A層之下的C層，也是密排的。讓A層的右半部滑移至B層原子的位置，其上部的各層也跟著移動，但滑移只限于一部分原子，即右半部原子。于是右半部的滑移面上發(fā)生了層錯，左半部則沒有移動，所以也沒有層錯，在兩者的交界處發(fā)生了原子的嚴重錯排，圖中滑移后的原子位置用虛線連接。,圖4.4,下半圖是把上半圖中A層與C層在（111）面上作投影。分層使用了不同的符號，代表A層，原子呈密排，代表緊接A層之下的C層，也是密排的。讓A層的右半部滑移至B層原子的位置，其上部的各層也跟著移動，但滑移只限于一部分原子，即右半部原子。于是右半部的滑移面上發(fā)生了層錯，左半部則沒有移動，所以也沒有層

10、錯，在兩者的交界處發(fā)生了原子的嚴重錯排，圖中滑移后的原子位置用虛線連接。,圖4.4 面心立方晶體中的純刃型肖克萊不全位錯,不全位錯可以認為就在上半部的圖中的A層上的兩個星號之間，此時在下半圖上看到對應的滑移后的A層原子位置，在用虛線連接起來的六角形中，越接近位錯的部分畸變越大 。,上半圖中左邊的晶體按ABCABC正常順序堆垛，而右邊晶體是按ABCBCAB順序堆垛，即有層錯存在，層錯與完整晶體的邊界就是肖克萊位錯，它位于一個平面上。圖中下半部的右上角處的箭頭符號即為不全位錯的柏氏矢量 ，它與位錯線互相垂直，因此它是純刃型的肖克萊不全位錯。,不全位錯可以認為就在上半部的圖中的A層上的兩個星號之間，

11、此時在下半圖上看到對應的滑移后的A層原子位置，在用虛線連接起來的六角形中，越接近位錯的部分畸變越大 。 上半圖中左邊的晶體按ABCABC正常順序堆垛，而右邊晶體是按ABCBCAB順序堆垛，即有層錯存在，層錯與完整晶體的邊界就是肖克萊位錯，它位于一個平面上。圖中下半部的右上角處的箭頭符號即為不全位錯的柏氏矢量 ，它與位錯線互相垂直，因此它是純刃型的肖克萊不全位錯。,圖4.4,根據其柏氏矢量與位錯線的夾角關系，它既可以是純刃型的，也可以是純螺型的，見圖4.5。,圖4.5 面心立方晶體中的純螺型肖克萊不全位錯,實線相連的位置代表滑移前的位置，虛線相連的代表滑移后的位置，滑移只在圖中下半部進行，交界區(qū)

12、域則是一段純螺型的肖克萊不全位錯。,肖克萊位錯還可以是混合型的，見圖4.6。,圖4.6 面心立方晶體中的混合型肖克萊不全位錯,肖克萊不全位錯可以在其所在的111面上滑移，滑移的結果使層錯擴大或縮小，但是即使是純刃型的肖克萊不全位錯也不能攀移，這是因為它有確定的層錯相聯(lián)，若進行攀移，勢必離開此層錯面，故不可能進行。,B 弗蘭克(Frank)不全位錯,圖4.7為抽出半層密排面形成的弗蘭克不全位錯。抽去B層的右邊一部分而讓其上面的C層垂直落下來，由于B層的右邊部分抽去而左邊部分沒有抽去，靠近層錯的邊沿位置的原子畸變大，但遠離邊沿的原子由于垂直落下，故原子排列雖發(fā)生層錯，但仍處于密排位置，并不發(fā)生畸變

13、。這些畸變處的原子即組成不全位錯。,圖4.7 抽出半層密排面形成的弗蘭克不全位錯,圖4.8 插入半層密排面形成的弗蘭克不全位錯,圖4.8為插入半層密排面形成的弗蘭克不全位錯。在右半部的A、B層之間插入一部分C層原子，構成不全位錯。,與抽出型層錯相聯(lián)系的不全位錯稱為負弗蘭克不全位錯，而與插入型層錯相聯(lián)系的不全位錯稱為正弗蘭克不全位錯。它們的柏氏矢量都屬于 ，且都垂直于層錯面111，但方向相反。弗蘭克不全位錯屬純刃型位錯，這種位錯不能在滑移面上進行滑移運動，否則將使其離開所在的層錯面，但能通過點缺陷的運動沿層錯面進行攀移，使層錯面擴大或縮小，所以弗蘭克不全位錯又稱不滑動位錯或固定位錯，而肖克萊不全

14、位錯則屬于可動位錯。,C 兩種不全位錯的特征,不全位錯的一個重要特征就是它的柏氏矢量。求不全位錯的柏氏矢量方法和求全位錯的柏氏矢量方法相似。首先，設定一個位錯線的方向，如從紙后走向紙面。然后，環(huán)繞這個不全位錯做一個柏氏回路，回路的方向服從右手螺旋法則。但必須注意不全位錯所在晶體中的回路必須從堆垛層錯上出發(fā)，而在全位錯的晶體中的回路卻可以從任何點出發(fā)，只要不碰到缺陷即可。,圖4.9為肖克萊不全位錯，可見作為參考的完整晶體的回路的最后一步，就是肖克萊位錯的柏氏矢量。肖克萊位錯的矢量方向只與滑移面的上半晶體受壓或受張情況有關，而與層錯位于位錯線之左或之右無關。,圖4.9 肖克萊刃型位錯的柏氏回路和矢

15、量,圖4.10為正弗蘭克不全位錯，圖中畫的是一個堆垛層錯在位錯線之右的刃型位錯，柏氏矢量方向向下，即 。若堆垛層錯在位錯線之左，則柏氏矢量方向向上，即 。,圖4.10 正弗蘭克位錯的柏氏回路和矢量,應當指出，在圖4.10的完整晶體中，柏氏回路自1走到6后，并不是把6與1直接連接起來，因為在有位錯的晶體中，6至1的連線與1至2的連線對稱于通過1的水平線，所以在參考晶體中也要使6至7的連線和1至2的連線成為對稱，于是最終的代表柏氏矢量的從7至1的閉合線段為垂直于水平方向的線 。同理，也可以求得負弗蘭克位錯的柏氏矢量。,1）不全位錯的四周不完全是完整的結構，有一部分有 層錯； 2）不全位錯的柏氏回路

16、必須從層錯開始，回路最后還 要穿過層錯； 3）不全位錯的柏氏矢量不是完整的最短點陣矢量； 4）不全位錯的柏氏矢量也有守恒性。,總結不全位錯的柏氏矢量的特點如下：,兩種不全位錯都只能在層錯面上存在，它們的運動也限制在這個面上。肖克萊位錯可以滑移，但不能攀移；弗蘭克位錯則相反。但要注意，純螺型的肖克萊位錯不能交滑移，只能在層錯面上滑移。弗蘭克位錯只有刃型的，其柏氏矢量與滑移面垂直，只能攀移，而且是在密排面上攀移，而不是垂直于密排面攀移。面心立方晶體中兩種不全位錯的特征見表4.2。,表4.2 面心立方晶體中兩種不全位錯的特征,4.4.3 擴展位錯 (Extended Dislocation),A 湯

17、普森（Thompson）記號 如圖4.11所示，在面心立方點陣中取出單位晶胞的小四面體，見圖4.11（a）。將D取在單位晶胞的原點（0，0，0），A取在（1/2，1/2，0），B取在（1/2，0，1/2），C取在（0，1/2，1/2）。以A，B，C，D為頂點連成一個由4個111面組成的，且其邊平行于方向的四面體，這就是湯普森四面體。如果以，分別代表與A，B，C，D點相對面的中心，見圖4.11（b）。把4個面以三角形ABC為底展開，得圖4.11（c）。,圖4.11 湯普森四面體及記號,1) 四面體的4個面為111晶面族構成。 2) 四面體的6個棱邊代表12個 晶向，即為面心立方晶體中12個全位錯

18、的柏氏矢量。 3) 每個面的頂點與其中心的連線代表24個 型的滑移矢量，相當于面心立方晶體中的24個肖克萊不全位錯的柏氏矢量。 4) 4個頂點到它所對的三角形中心點的連線代表8個 型的滑移矢量，相當于面心立方晶體中的8個弗蘭克不全位錯的柏氏矢量。 5) 4個面的中心連線即 為 型的壓桿位錯。,由圖4.11可知：,有了湯普森四面體，面心立方晶體中各類位錯反應尤其是復雜的位錯反應都可極為簡便地用相應的湯普森記號來表達。,圖4.12 全位錯分解示意圖,B 擴展位錯,面心立方晶體中能量最低的全位錯是處在111面上的柏氏矢量為 的單位位錯。若單位位錯 在切應力作用下沿著(111)晶面的 方向滑移時，則原

19、子從B1位置滑動到相鄰的B2位置，需要越過A層原子的“高峰”，這需要提供較高的能量，見圖4.12。,但如果滑移分為兩步，先從B1位置沿A原子間的“低谷”滑移到鄰近的C位置，即 ；然后再由C位置滑移到B2位置，即這種滑移比較容易。顯然，第一步滑移造成了層錯，層錯區(qū)與正常區(qū)之間必然會形成兩個不全位錯。也就是說，全位錯的運動由兩個不全位錯的運動來完成，即 。,這個位錯反應從幾何條件和能量條件來判斷均是可行的，如下所示： 幾何條件為： ，能量條件為： 均滿足，能反應。 通常把一個全位錯分解為兩個不全位錯，中間夾著一個堆垛層錯的位錯組態(tài)稱為擴展位錯，圖4.13即為 擴展位錯的示意圖。,圖4.13 面心立

20、方晶體中的擴展位錯,擴展位錯的寬度d可以根據兩個肖克萊不全位錯間的斥力與位錯的層錯能平衡求得：,（4-3）,K一與全位錯類型有關的常數； 一全位錯線與它的柏氏矢量之間的 夾角； 一層錯能。,由（4-3）式可知，擴展位錯的寬度d與晶體的切變模量和位錯的柏氏矢量b成正比，與單位面積層錯能成反比。即層錯能越大，擴展位錯的寬度越小。具有面心立方結構的不同金屬它們的層錯能是不同的。例如，鋁的層錯能很高，故其擴展位錯的寬度很窄，僅12個原子間距，實際上可認為鋁中不會形成擴展位錯；而奧氏體不銹鋼的層錯能很低，其擴展位錯的寬度可達十幾個原子間距。,當一個螺型單位位錯分解為擴展位錯后，由于兩個肖克萊不全位錯不能

21、離開層錯面，因而擴展位錯要實現(xiàn)交滑移首先必須束集成單位位錯，然后才能進行交滑移。,圖4.14 擴展位錯的交滑移過程,圖4.14為擴展位錯的交滑移過程。擴展位錯的束集不是在整條位錯線上同時進行，而是先在位錯線上某點A開始，然后擴展成一線段AA，被束集的單位位錯進行交滑移，并且在新的滑移面上重新擴展，繼續(xù)滑移，逐步把擴展位錯轉移到新的滑移面上。,從擴展位錯交滑移可知，層錯能低的金屬，擴展位錯寬度大，束集困難，不易交滑移；而層錯能高的鋁，擴展位錯寬度小，束集容易，因而很容易交滑移。,4.4.4 面角位錯 (Lomer-Cottrell Dislocation),如圖4.15所示，在(111)和 面上

22、分別有兩個全位錯 和 ，它們在各自的滑移面分解為擴展位錯：,兩個擴展位錯各在自己的滑移面上相向移動，當每個擴展位錯中的一個領先不全位錯達到滑移面的交線時，就會通過位錯反應，生成新的位錯：,圖4.15 面角位錯的形成過程,這個新位錯 是純刃型的，其柏氏矢量位于(001)滑移面上，但面心立方晶體的滑移面是111，不易滑移，只能攀移。因此，這個位錯是固定位錯，又稱壓桿位錯。,壓桿位錯帶著兩片分別位于(111)和 面上的層錯區(qū)，以及 和 兩個不全位錯。這種形成于兩個111面之間的面角上，由三個不全位錯和兩片層錯所構成的位錯組態(tài)稱為面角位錯，也稱為羅曼一柯垂爾（Lomer-cottrell）位錯。,4.

23、5 體心立方晶體(Body-centered Cubic Crystal) 中的位錯,在體心立方晶體中以密排方向為滑移方向，全位錯的柏氏矢量為 ，相應的滑移面有110、112、123。由于這三種滑移面均含有相同的方向，使螺型位錯易于交滑移。在低溫變形的體心立方結構金屬中，所觀察到的位錯多為長而直的螺型位錯。這說明，同刃型位錯相比，螺型位錯的可動性較差，是控制體心立方結構金屬滑移特性的主要位錯組態(tài)。,4.5.1 全位錯的合成反應(Synthetic Reaction of Perfect Dislocation),在體心立方晶體中常見的全位錯除了 位錯外，還有柏氏矢量為a的位錯，有時可在位錯網絡

24、中觀察到。a型全位錯可由兩個 型全位錯經合成反應而獲得，即,如圖4.16所示，若沿(101)面上具有柏氏矢量為 的位錯與沿 面上的具有柏氏矢量為 的位錯相遇時，便可按上述反應合成新位錯。,合成的新位錯線沿著兩滑移面 和 的交線010方向，而柏氏矢量為a001，是一種不動位錯，其相應的半原子面又恰好沿著解理面（001），易于成為萌生解理裂紋(Cleavage Crack)的部位，如圖4.16（b）所示。,圖4.16 001全位錯的形成與解理裂紋成核,4.5.2 層錯(Stacking Fault),在體心立方晶體中，以110面的密排程度最大，故可以把體心立方晶體看成是由110面堆垛而成。如圖4.

25、17所示，兩個相鄰的 面上原子的堆垛次序為AB AB AB，兩層一循環(huán)?？晒┑诙釉诱紦腂位置為馬鞍型凹窩。,圖4.17 面上相鄰 兩層原子的分布圖,圖4.17 面上相鄰 兩層原子的分布圖,顯然，若將某一B層原子的位置向凹窩中心B1或B2錯動 時，便可得到兩種滑移型層錯： AB AB AB1 AB1 AB1 或 AB AB AB2 AB2 AB2 （4-4）,在凹窩中心兩側處各有兩個同等穩(wěn)定的位置B1和B2都是B層原子可以占據的能量極小處，從而為形成層錯提供了可能性。,但112不是密排面，不能按剛球密堆方式逐層堆垛，如圖4.18（a）所示。若沿 方向觀察時，可將 面上各原子在（110）面上

26、的投影示于圖4.18（b）。,在體心立方晶體中，還有一種在112面上形成層錯的可能性。112面是體心立方晶體中最常見到的滑移面，也是孿晶面(Twinning Plane)，為形成層錯提供了有利條件。,圖中標以A、C和E的原子位于（110）面上，用“”表示；而標以B、D和F的原子沿 方向與（110）面相距 ，用“”表示。可見 面的堆垛特點是每六層為一循環(huán)周期，即 ABCDEF ABCDEF AB （4-5） 而且，由于相鄰兩層 面上的原子沿 方向高度不同，又可將體心立方晶體的堆垛特點按 面的堆垛周期中每兩層為一組加以描述： A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 B1 B 2 C1 C

27、2 A1 A2 （4-6）,圖4.18 面上的原子分布及其堆垛特點 （a） 面上原子的分布； （b） 面上原子在（110）面上的投影,根據以上112面的堆垛特點，可有以下三種方式在體心立方晶體中形成層錯。,A 滑移方式 由圖4.18可知， 面與（110）面相交，其交線 恰好為滑移方向。每相鄰兩層 面原子之間的相對滑移矢量為 ，如圖4.19所示。若將某一層 面原子（如A層原子）以上部分相對于以下的F層滑移 或 ，可將體心立方晶體的堆垛次序變化而形成I1型內稟層錯： I1=FEDCBAFEFEDCBA （4-7）,圖4.19 原子在（110）面上的投影 （代表位于紙面上的原子；代表位于紙面下的原子

28、）,B 抽出方式,若在體心立方晶體的正常堆垛周期中，抽出一對原子層（如C層和D層），可形成如下I2型內稟層錯： I2=FEDCBAFE BAFEDCBA （4-8） C 插入方式 若在體心立方晶體中的正常堆垛周期中，在某一B面處將晶體切開后，使其上各層原子向上沿 方向移動 距離，再在該空隙中插入一對原子層（如E層和F層），則可形成E型外延層錯： E=CDEFABE FCDEFABC （4-9）,在上述改變112面堆垛次序的過程中，要相應破壞或變動相鄰原子層的鍵合狀態(tài)。按照所涉及的原子鍵合破壞的程度，可以認為，I1型內稟層錯所需能量最小，而形成其他兩種層錯所需能量較大。因此在體心立方晶體中，層錯

29、一般以I1型為主，其他兩種層錯的實用意義不大。,4.5.3 不全位錯,在體心立方晶體中可能形成的不全位錯主要有： 1)在110面上形成一部分層錯時，其邊界為不全位錯 ； 2)在112面上形成一部分層錯時，其邊界為不全位錯 或 。 另外，在體心立方晶體中，也可能在I1型層錯的基礎上進一步形成I3型層錯，與其相對應的112面的堆垛次序如下： I3=FEDCBAF F A AFEDCBA （4-10）,這種I3型層錯相當于具有三個原子層厚的孿晶，可以看成是在如圖4.20（a）所示的I1型層錯的基礎上，經柏氏矢量為 和 的兩不全位錯在FE和ED兩原子層之間相繼滑移的結果。若在112面上形成一部分I3型

30、層錯時，其邊界的一端為三個分布在相鄰三個滑移面上的 不全位錯，另一端為柏氏矢量和等于零的區(qū)域位錯，如圖4.20（b）所示。,圖4.20 在 面上形成的（a）部分I1型層錯和（b）部分I3型層錯,4.5.4 擴展位錯,A 在110面上的擴展位錯 如圖所示，B層原子要從一個平衡位置滑移到另一個平衡位置時，比較容易的途徑是將全位錯的運動分解成三個不全位錯的運動，即 這種全位錯分解的特點是，所形成的三個不全位錯位于同一滑移面內。其中， 位錯留在原位錯 所在處， 和 兩不全位錯構成擴展位錯的兩個邊界。,面上相鄰兩層原子的分布圖,科恩（Cohen）等人曾用這種模型設想一個 螺型位錯分解形成可滑移型擴展位錯

31、的可能性，如圖4.21（a）所示，這種分解反應稱為可滑移分解。 柯佑帕（Kroupa）等人又設想 螺型位錯可沿屬于111晶帶軸的三個110面內分解，如圖4.21（b）和（c）所示。其位錯反應如下： 為中心螺型位錯，分別與另三個不全位錯以三片層錯相聯(lián)，故稱為三葉位錯。在圖4.21中，（b）和（c）是等效的兩個狀態(tài)，可以交替地沿同一條位錯線擴展。,圖4.21 柏氏矢量為 的螺型位錯在110面上分解 （a）可滑移分解；（b）和（c）不可滑移分解，兩種狀態(tài)相差180,B 在112面上的擴展位錯,Frank等人提出， 螺型位錯可在112面上按下式分解擴展： 這是由于一個螺型全位錯分解成兩個螺型不全位錯，

32、均位于同一滑移面上，如圖4.22（a）所示。這種位錯組態(tài)在外力作用下可整體滑移，也稱為可滑移分解。 赫許（Hirsch）等人又提出了一種 螺型位錯沿屬于111晶帶軸的三個112面上分解的可能性，如圖4.22（b）所示，即,其特點是形成相交的三片層錯，分別以三個 螺型不全位錯為邊界，但卻無中心不全位錯。 斯利維克（Sleeswyk）認為這種中心無不全位錯的擴展位錯不穩(wěn)定，應按圖4.22（c）所示的方式分解。在無應力作用時，圖4.22（c）中所示的組態(tài)可有三種等效情況（相差120）。 這種各不全位錯分別位于不同滑移面上的分解，也稱為不可滑移分解。所形成的擴展位錯組態(tài)具有阻礙其他位錯滑移的特性。,圖

33、4.22 螺型位錯在112面上分解機制示意圖 （a）可滑移分解；（b）不可滑移分解，無中心位錯；（c）不可滑移分解，有中心位錯,4.6 密排六方晶體(Hexagonal Close-packed Crystal) 中的位錯,4.6.1 層錯 密排六方晶體也為密排結構，其堆垛次序為AB AB AB，二層一循環(huán)。密排面是（0001）面，這種密排面也可以用剛球模型來描述，如圖4.23所示。,圖4.23 密排六方晶體中密排面的剛球模型,在密排六方晶體中，層錯也有內稟型和外延型之分，可分別由以下三種方式形成。,A 抽出一層原子后，上下兩部分晶體適當平移 若在密排六方晶體的正常AB AB堆垛次序中去掉某一

34、層原子，如B層原子，再使其上各層原子的位置平移 ，會使堆垛次序變?yōu)?（4-11） 則形成內稟型層錯，即 AB AB AB ACA CA CA （4-12）,其特點是從AB AB兩層循環(huán)堆垛過渡到AC AC堆垛之間，存在三層堆垛結構BAC。由于不可能由同種類面構成鄰近面，如AA和BB，所以在密排六方晶體中的層錯必然包含面心立方晶體中的堆垛層次。 B 簡單滑移 若將晶體在某一B層處剖開，使上部晶體相對下部晶體平移至C位置，也可形成內稟型層錯，例如 （4-13） 則得 AB AB ABCA CA CA （4-14）,C 插入一層原子,若在A和B層之間插入一層C原子，則可形成外延型層錯，即 （4-15

35、） 顯然，第一種和第三種情況可以相互轉化，通過滑移會由一種層錯變成另一種層錯，例如 第一種：AB AB AC A C A C （滑移） 第三種：AB AB A C B A B A （4-16）,4.6.2 不全位錯,A 密排六方晶體中的矢量記號 利用圖4.24所示的雙角錐體表示密排六方晶體中的各矢量。,圖4.24 密排六方晶體中的柏格森記號,可以看出，密排六方晶體中重要的位錯有：,1）6個柏氏矢量等于雙角錐體基面ABC的邊長 的全位錯，即 ； 2）2個柏氏矢量垂直于基面的全位錯， 即 ； 3）12個 型的不全位錯，其柏氏矢量可 用 表示，是代表SA和TB中點連線長 度兩倍的矢量； 4）4個柏氏

36、矢量垂直于底面的不全位錯，即 ；,5）6個在基面上的肖克萊不全位錯，其柏氏矢 量分別為 ； 6）12個柏氏矢量為 的不全位錯，是由4）和5）兩不全位錯合 成的結果。 密排六方晶體中常見位錯的柏格森記號(表4-3),（2）戴曼諾（Damiano）記號,圖4.25所示的基本六方單位晶胞上，各符號表示密排六方晶體中常見位錯的柏氏矢量及滑移面，見表4.4。,圖4.25 密排六方晶體中矢量的戴曼諾記號,表4.4 密排六方晶體中常見位錯及滑移面的戴曼諾記號,B 肖克萊不全位錯,在鈹、鎂、鎘和鋅等具有密排六方點陣的金屬中，滑移系統(tǒng) （0001）的臨界切應力很低，使基面滑移易于進行。在基面上，全位錯可分解成兩

37、個肖克萊不全位錯，中間以內稟型層錯區(qū)相連，如圖4.26所示。相應的位錯反應按柏格森記號為： （4-17） 即,這種位錯分解使位錯能量減小1/3。所形成的肖克萊不全位錯可在基面上運動，使堆垛次序作如（4-11）式和（4-13）式所表述的變動。兩肖克萊不全位錯的柏氏矢量同全位錯的柏氏矢量之間呈30角。肖克萊不全位錯可具有刃型、螺型或混合型等類型。,（4-11）式,（4-13）式,圖4.26 全位錯在基面上分解成兩個肖克萊位錯和內稟型層錯,C 弗蘭克不全位錯,在密排六方晶體中，可由空位盤崩塌或間隙原子沉淀形成弗蘭克位錯。由圖4.27可見，空位在基面上聚集和崩塌后，會導致同種類原子層成為近鄰，使系統(tǒng)能

38、量增高。改變這種不穩(wěn)定原子組態(tài)的一種方式是將空位盤上面的一層原子由B位置改變到C位置，成為一層附加的C原子，如圖4.27（c）所示。這相當于其上層和下層各有符號相反的一個柏氏矢量為 的肖克萊位錯運動的結果。,圖4.27 弗蘭克位錯環(huán)的空位盤崩塌形成機制 （a）空位在基面上聚集形成空位盤；（b）空位盤崩塌； （c）調整層錯區(qū)堆垛次序，形成外延型弗蘭克位錯環(huán)； （d）調整層錯區(qū)堆垛次序，形成內稟型弗蘭克位錯環(huán),所涉及的位錯反應按戴曼諾記號為： （4-18） 即,然而，按此種方式所形成的弗蘭克位錯環(huán)包圍著外延型層錯，所需能量較大，故有可能在層錯區(qū)萌生一個肖克萊位錯環(huán)，并由其擴展運動使層錯變?yōu)閮确A型。

39、于是，在原弗蘭克位錯環(huán)所在的邊界處，便可能發(fā)生如下反應而形成 型的弗蘭克位錯。,（4-19） 即 在所得到的弗蘭克位錯環(huán)內包圍著內稟型層錯，層錯能較低。一般認為，外延型層錯的層錯能約為內稟型層錯的三倍。所以，在密排六方晶體中由空位盤崩塌形成的弗蘭克位錯環(huán)的柏氏矢量以 為主。位錯環(huán)的尺寸受層錯能、應力、溫度和雜質含量等影響。 和 型弗蘭克位錯環(huán)不能沿基面滑移（不動位錯），但兩者均可攀移。,另外，也可以由間隙原子在基面上沉淀(Precipitate)形成如圖4.28（a）和（b）的圍繞外延型層錯的弗蘭克位錯環(huán)，其柏氏矢量為 。由于其層錯能高使位錯環(huán)尺寸足夠大時，會按（4-19）式通過肖克萊位錯環(huán)的萌生與運動而轉變成內稟型弗蘭克位錯環(huán)，如圖4.28（c）所示。在經輻照的Mg、Cd和Zn中，已觀察到間隙原子在基面上沉淀形成的弗蘭克位錯環(huán)，其柏氏矢量為 和 兩種。,圖4.28 弗蘭克位錯環(huán)的間隙原 子沉淀形成機制（a）間隙原子在基面上沉淀；（b）外延型弗蘭克位錯環(huán)的形成；（c）內稟型弗蘭克位錯環(huán)的形成,D 其他不全位錯,除在表4.3中已討論過的幾種不全位錯外，其余位錯均與位錯分解或合成有關。例如，可動的不全位錯 位于基面，圍繞著內稟型層錯，并對以下位錯分解反應具有亞穩(wěn)定性。 或 不動位錯 也有一定的亞穩(wěn)定性，可按以下反應分解：