【材科基干货】第17期：动图演示位错的运动

本期继续对上海交通大学版《材料科学基础》第3章内容：晶体缺陷，位错运动进行讲解。《材料科学基础》中晶体缺陷一章一直是考研的重点，这一章节内容比较抽象复杂，属于比较难理解和掌握的章节。我们通过制作动图，让大家理解起来更容易、掌握起来更透彻，并将抽象概念与实际晶体相联系，使得本章知识更容易掌握。

01位错的表征方法

1939年Burger J.M.提出的一种用滑移矢量来表示晶体畸变的物理量，称为伯氏矢量→b。其物理意义如下：

• 伯氏矢量→b为一矢量，故具有大小和方向。

• 伯氏矢量→b 表示位错线周围弹性变形量的总和，表示总畸变量的大小和方向。

• l→bl伯氏矢量的模表示伯氏矢量的大小，即位错强度，l→bl越大说明点阵畸变越严重。

伯氏矢量的确定方法

(1)首先选定位错线的正方向，如常规定出纸面的方向为位错线的正方向。

(2)在实际晶体中，绕位错线（避开位错线附近的严重畸变区）并按一定的步数作右旋的闭合回路MNOPQ。

(3)在完整晶体中按同样的步数和方向作同样回路，该回路必然不封闭。

由终点Q向起点M引一矢量，使回路完整。这个矢量就是实际晶体中位错的伯氏矢量。

伯氏矢量的性质

伯氏矢量的守恒性：位错与回路的起点及其途径无关，只要不和其他位错线相遇，不论回路怎么扩大、缩小、或任意移动，由此回路确定的伯氏矢量是唯一的，即伯氏矢量的守恒性。

由此可得出以下结论：

• 一条位错线只有一个伯氏矢量，且同一位错的伯氏矢量处处相同，即使在运动中。

• 流向节点的各位错的伯氏矢量的和等于流出的总和。

• 位错线不能终止于晶体内部。位错可以闭合成环、与其他位错相连、或终止于晶界或晶体表面。

• 根据伯氏矢量→b与位错线 t 的关系可确定位错类型

• 若→b∥t，则该位错为螺型位错

• 若→b⊥t，则该位错为刃型位错

• 若→b与t既不平行也不垂直，则该位错为混合型位错

02 位错的运动

位错可以在晶体中进行移动，位错的运动会使晶体产生塑性变形，晶体的强度与位错运动的难易程度直接相关。位错有两种基本运动方式，滑移和攀移。

滑移：在切应力的作用下，当此力克服位错运动所受的阻力时，位错便可以沿着特定原子面（滑移面）进行移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。

攀移：刃型位错在晶体内沿着垂直于滑移面方向上的运动。位错攀移是一种扩散过程，借助于空位或质点的扩散与运动，刃型位错向上、向下攀移一定的原子间距。

滑移面：位错运动滑移面是该条位错的伯氏矢量与其位错线确定的平面。

滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。BCC、FCC、HCP的滑移方向是晶体的最密排方向，滑移面通常是晶体中原子的密排面。

在学习位错运动时，需要熟悉其三个方向。

• 伯氏矢量的方向b：通过伯氏回路来确定

• 位错线的方向1：一般规定指向纸面向外为正；

• 位错的运动方向v。

这三个方向中，容易将v和b的方向混淆，要多加注意。

03刃型位错的运动

（一）刃型位错的滑移

• 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移

• 滑移量 = 伯氏矢量的模

• 外力 τ //→b，位错线1⊥τ，位错线的运动方向//切应力的方向τ

• τ 一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同

• 刃型位错的滑移面唯一

• 滑移后，晶体体积不变，为守恒运动

（二）刃型位错的攀移

刃型位错还可以在垂直于滑移面的方向上运动即发生攀移。攀移具有如下特点：

• 攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。

• 攀移不是塑性变形的主要机制，若原滑移面受阻，攀移可避开障碍物便于后续滑移

• 攀移为原子扩散或空位迁移过程，需要激活能，故在高温时易出现。

• 攀移时体积变化，为非守恒运动

04螺型位错的运动

（一）螺型位错的滑移

• 滑移量 = 伯氏矢量的模

• τ //→b，位错线 1// τ ，位错线运动方向⊥τ

• τ一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同

• 滑移面不唯一

（二）螺型位错的交滑移

• 由于螺型位错滑移面不唯一，当其滑移运动过程受到阻碍，可在其它滑移面上滑移。

• 已发生交滑移的螺型位错，可再经过一次交滑移回到与原滑移面平行的滑移面上继续运动，这种现象称为双交滑移。

• 交滑移仍为滑移，故不发生晶体体积变化，为守恒运动。

• 层错能越高，越容易发生交滑移。

05混合位错（位错环）的滑移

除了A、B、C、D四点外，位错环上其他各点均为混合型位错。

沿→b方向施加切应力 τ 时，位错环上的各点均沿其法线方向在滑移面上向外扩展。

当位错环滑过整个滑移面，滑出晶体时，晶体表面处沿切应力方向形成一个宽度为b的台阶。如果外加切应力方向相反时，位错环逐渐缩小，甚至消失。

06重要思考题

位错与塑性、强度之间的关系？

07易错题分享

已知位错环ABCD的伯氏矢量为b，外应力为 τ 和σ，如图所示。试求：

(1)位错环的各边分别是什么位错；

(2)设想在晶体中怎样才能得到这个位错；

(3)在足够大的切应力 τ 作用下，位错环将如何运动；

(4)在足够大的拉应力σ作用下，位错环将如何运动。

上期答案

如图所示，π为晶体中的滑移面，虚线为位错线，阴影部分为已滑移区。

（1）试分析各图中的位错类型；

（2）标出位错线的运动方向；

（3）在外加切应力作用下，当位错线扫过整个滑移面时，晶体会在什么方向上发生多大的塑性变形？

【解析】

（1）刃位错；螺位错；混合位错；混合位错；混合位错

（2）位错线的运动始终垂直于位错线

（3）会发生大小为伯氏矢量的模，方向平行于伯氏矢量的塑性变形

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