第4章实际晶体结构中位错

1、 4.1 222 wvuC 表表4.1 典型晶体结构中典型晶体结构中单位位错单位位错的柏氏矢量的柏氏矢量 4.3 (Dislocation Reaction) ki bb 22 ki bb 4.4.1 堆垛层错堆垛层错(Stacking Fault) 图图4.1 面心立方晶体中（面心立方晶体中（111）面的正常堆垛）面的正常堆垛 图图4.1是面心立方晶体密排面（是面心立方晶体密排面（111）的正常堆垛示意图。）的正常堆垛示意图。 n 图图4.2 面心立方晶体中的堆垛层错面心立方晶体中的堆垛层错 （a）抽出型；（）抽出型；（b）插入型）插入型 若将正常堆垛顺序变成若将正常堆垛顺序变成ABCBCA

2、（即（即 ），其中箭头所指相当于抽出一层），其中箭头所指相当于抽出一层 原子面（原子面（A层），故称为层），故称为抽出型层错抽出型层错，如图，如图4.2 （a）所示。）所示。 若在正常堆垛顺序中插入一层原子面（若在正常堆垛顺序中插入一层原子面（B 层），即可表示为层），即可表示为ABCBABC，相当于抽出，相当于抽出 A、C两层，可表示为两层，可表示为ABCBABC（即（即 ），其中箭头所指的为插入），其中箭头所指的为插入B层层 后所引起的二层错排，称为后所引起的二层错排，称为插入型层错插入型层错，如图，如图 4.2（b）所示。）所示。两者对比可知两者对比可知, 形成层错时几乎不产生点阵畸变，

3、但它破坏形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏 了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反 常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部 分增加的能量称为分增加的能量称为堆垛层错能堆垛层错能，用，用 表示。从能表示。从能 量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能 有关，有关， 4.4.2 不全位错不全位错(Partial Dislocation) n 若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子 面上而只是部分区域存在，那么，在层错与面上而只是部

4、分区域存在，那么，在层错与 完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点 阵矢量的不全位错。阵矢量的不全位错。 图图4.4为肖克莱不全位错的刃型结构。为肖克莱不全位错的刃型结构。 图图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错 上半图是面心立方晶上半图是面心立方晶 体的（体的（0 1）面，）面， 。原子的。原子的 连线看起来似乎是一连线看起来似乎是一 个平面上的菱形，实个平面上的菱形，实 际上是一前一后两个际上是一前一后两个 平面上相邻原子的连平面上相邻原子的连 线。线。 1 上半图是面心立方晶体的（上半图是面心立方晶体的（

5、0 1）面，）面， 。原子的连线看起来似乎是一个平面上的菱形，。原子的连线看起来似乎是一个平面上的菱形， 实际上是一前一后两个平面上相邻原子的连线。实际上是一前一后两个平面上相邻原子的连线。 下半图是把上半图中下半图是把上半图中A层与层与C层在（层在（111）面上作投）面上作投 影。分层使用了不同的符号，影。分层使用了不同的符号，原子呈密排，原子呈密排， 紧接紧接A层之下的层之下的，也是密排的。，也是密排的。 1 图图4.4 n下半图是把上半图中下半图是把上半图中A层层 与与C层在（层在（111）面上作投）面上作投 影。分层使用了不同的符影。分层使用了不同的符 号，号，原子呈，原子呈 密排，密

6、排，紧接紧接A层之层之 下的下的，也是密排的。，也是密排的。 图图4.4 面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯刃型肖克莱不全位错 n不全位错不全位错可以认为可以认为 就在上半部的图中就在上半部的图中 的的A层上的两个星层上的两个星 号之间号之间，此时在下，此时在下 半图上看到对应的半图上看到对应的 滑移后的滑移后的A层原子层原子 位置，在用虚线连位置，在用虚线连 接起来的六角形中，接起来的六角形中， 越接近位错的部分越接近位错的部分 畸变越大畸变越大 。 112 6 a b 不全位错不全位错可以认为可以认为就在上半部的图中的就在上半部的图中的A层上的两层上的两 个星号之间个星

7、号之间，此时在下半图上看到对应的滑移后的，此时在下半图上看到对应的滑移后的A层层 原子位置，在用虚线连接起来的六角形中，越接近位错原子位置，在用虚线连接起来的六角形中，越接近位错 的部分畸变越大的部分畸变越大 。 上半图中上半图中左边的晶体按左边的晶体按ABCABC正常顺序堆垛正常顺序堆垛， 而而右边晶体是按右边晶体是按ABCBCAB顺序堆垛，即顺序堆垛，即有层错有层错存在，存在， 层错与完整晶体的边界就是肖克莱位错层错与完整晶体的边界就是肖克莱位错，它位于一个平，它位于一个平 面上。图中下半部的右上角处的箭头符号即为不全位错面上。图中下半部的右上角处的箭头符号即为不全位错 的的柏氏矢量柏氏矢

8、量 ，它，它与位错线互相垂直与位错线互相垂直，因此它，因此它 是纯刃型的是纯刃型的肖克莱不全位错。肖克莱不全位错。 112 6 a b 图图4.4 根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯 刃型的，也可以是纯螺型的，见图刃型的，也可以是纯螺型的，见图4.5。 图图4.5 面心立方晶体中的纯螺型肖克莱不全位错面心立方晶体中的纯螺型肖克莱不全位错 肖克莱位错还可以是混合型的，见图肖克莱位错还可以是混合型的，见图4.6。 图图4.6 面心立方晶体中的混合型肖克莱不全位错面心立方晶体中的混合型肖克莱不全位错 ，但是即使是，但是即使是 纯刃型的肖克莱不

9、纯刃型的肖克莱不 全位错也不能攀移，全位错也不能攀移， 这是因为它有确定这是因为它有确定 的层错相联，若进的层错相联，若进 行攀移，势必离开行攀移，势必离开 此层错面，故不可此层错面，故不可 能进行。能进行。 图图4.7为抽出半层密排面形成的弗兰克不全位错。为抽出半层密排面形成的弗兰克不全位错。抽抽 去去B层的右边一部分而让其上面的层的右边一部分而让其上面的C层垂直落下来层垂直落下来，由于，由于 B层的右边部分抽去而左边部分没有抽去，层的右边部分抽去而左边部分没有抽去，靠近层错的靠近层错的 边沿位置的原子畸变大边沿位置的原子畸变大，但远离边沿的原子由于垂直落，但远离边沿的原子由于垂直落 下，故

10、原子排列虽发生层错，但仍处于密排位置，并不下，故原子排列虽发生层错，但仍处于密排位置，并不 发生畸变。这些畸变处的原子即组成不全位错。发生畸变。这些畸变处的原子即组成不全位错。 图图4.7 抽出半层密排面抽出半层密排面 形成的弗兰克不全位错形成的弗兰克不全位错 图图4.8 插入半层密排面形成的弗兰克不全位错插入半层密排面形成的弗兰克不全位错 图图4.8为插入半层密排面形成的弗兰克不全位错。为插入半层密排面形成的弗兰克不全位错。在右半在右半 部的部的A、B层之间插入一部分层之间插入一部分C层原子层原子，构成不全位错。，构成不全位错。 111 3 a C 两种不全位错的特征两种不全位错的特征 图图

11、4.9 肖克莱刃型位错的柏氏回路和矢量肖克莱刃型位错的柏氏回路和矢量 图图4.10 正弗兰克位错的柏氏回路和矢量正弗兰克位错的柏氏回路和矢量 111 3 1 b 111 3 1 b 111 3 1 1） 总结不全位错的柏氏矢量的特点如下总结不全位错的柏氏矢量的特点如下： 表表4.2 面心立方晶体中面心立方晶体中两种不全位错的特征两种不全位错的特征 4.4.3 扩展位错扩展位错 (Extended Dislocation) 图图4.11 汤普森四面体及记号汤普森四面体及记号 110 2 1 112 6 1 111 3 1 , 110 6 1 由由图图4.11可知：可知： 图图4.12 全位错分解

12、示意图全位错分解示意图 110 2 a 101 2 a b 101 121 6 1 1 b 21 bbb n这个位错反应从几何条件和能量条件来判断均这个位错反应从几何条件和能量条件来判断均 是可行的，如下所示：是可行的，如下所示： 112 6 121 6 101 2 aaa 22 3 1 2 1 aa 101 2 a 图图4.13 面心立方晶体中的扩展位错面心立方晶体中的扩展位错 d可可 以根据两个肖克莱不全位以根据两个肖克莱不全位 错间的斥力与位错的层错错间的斥力与位错的层错 能平衡求得：能平衡求得： 8 cos 2 2 1 1 2 8 22 b K b d （4-3） K一与全位错类型有关

13、的常数；一与全位错类型有关的常数； 一全位错线与它的柏氏矢量之间的一全位错线与它的柏氏矢量之间的 夹角；夹角； 一层错能。一层错能。 n 由（由（4-3）式可知，扩展位错的宽度）式可知，扩展位错的宽度d与晶与晶 体的切变模量体的切变模量和位错的柏氏矢量和位错的柏氏矢量b成正比，与成正比，与 单位面积层错能单位面积层错能成反比。即成反比。即层错能越大，扩层错能越大，扩 展位错的宽度越小展位错的宽度越小。具有面心立方结构的不同。具有面心立方结构的不同 金属它们的层错能是不同的。例如，金属它们的层错能是不同的。例如，铝的层错铝的层错 能很高能很高，故其，故其扩展位错的宽度很窄扩展位错的宽度很窄，仅，

14、仅12个个 原子间距，实际上可认为铝中不会形成扩展位原子间距，实际上可认为铝中不会形成扩展位 错；而错；而奥氏体不锈钢的层错能很低奥氏体不锈钢的层错能很低，其，其扩展位扩展位 错的宽度错的宽度可达十几个原子间距。可达十几个原子间距。 8 cos 2 2 1 1 2 8 22 b K b d 图图4.14 扩展位错的交滑移过程扩展位错的交滑移过程 4.4.4 面角位错面角位错 (Lomer-Cottrell Dislocation) 如如图图4.15所示，在所示，在(111)和和 面上分别有面上分别有两个两个 全位错全位错 和和 ，它们在各自的滑移面，它们在各自的滑移面分解为扩分解为扩 展位错展

15、位错： )111( 110 2 a 011 2 a 两个扩展位错各在自己的滑移面上两个扩展位错各在自己的滑移面上相向移动相向移动，当，当 每个扩展位错中的一个每个扩展位错中的一个领先不全位错达到滑移面的交领先不全位错达到滑移面的交 线时线时，就会通过，就会通过位错反应位错反应，生成新的位错生成新的位错： 图图4.15 面角位错的形成过程面角位错的形成过程 110 6 a 压杆位错带着两片压杆位错带着两片分别位于分别位于(111)和和 面上的面上的层错层错区，以区，以及及 和和 两个不全位两个不全位 错错。这种。这种形成于两个形成于两个111面之间的面角上，面之间的面角上， 由三个不全位错和两片

16、层错所构成的位错组态由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态 称为称为面角位错面角位错，也称为罗曼一柯垂尔，也称为罗曼一柯垂尔 （Lomer-cottrell）位错。）位错。 ADDA a aaaaa 即,110 2 211 6 110 6 112 6 011 2 110 2 )111( 112 6 a 211 6 a n在在体心立方晶体体心立方晶体中以密排方向中以密排方向为滑移为滑移 方向，方向，全位错的柏氏矢量为全位错的柏氏矢量为 ，相应，相应 的的滑移面有滑移面有110、112、123。由于这三。由于这三 种滑移面均含有相同的种滑移面均含有相同的方向，使螺型方向，使螺型 位错易于交滑移。

17、在低温变形的体心立方结位错易于交滑移。在低温变形的体心立方结 构金属中，所观察到的位错多为构金属中，所观察到的位错多为长而直的螺长而直的螺 型位错型位错。这说明，同刃型位错相比，。这说明，同刃型位错相比， 2 1 4.5.1 (Synthetic Reaction of Perfect Dislocation) 111 2 a 111 2 a 001111 2 111 2 a aa 如图如图4.16所示，若沿所示，若沿(101)面上具有柏氏面上具有柏氏 矢量为矢量为 的位错与沿的位错与沿 面上的具有柏面上的具有柏 氏矢量为氏矢量为 的位错相遇时，便可按上述的位错相遇时，便可按上述 反应合成新位

18、错。反应合成新位错。 111 2 a )110( 111 2 a 其相应的半原子面又恰好沿着解理其相应的半原子面又恰好沿着解理 面（面（001），易于成为萌生解理裂纹），易于成为萌生解理裂纹(Cleavage Crack)的部位，如图的部位，如图4.16（b）所示。）所示。 图图4.16 001全全 位错的形成与解位错的形成与解 理裂纹成核理裂纹成核 )101()110( 4.5.2 层错层错(Stacking Fault) n在体心立方晶体中，在体心立方晶体中， 以以110面的密排程面的密排程 度最大，故可以把体度最大，故可以把体 心立方晶体看成是由心立方晶体看成是由 110面堆垛而成。面堆

19、垛而成。 如如图图4.17所示，两个所示，两个 相邻的相邻的 面上原面上原 子的堆垛次序为子的堆垛次序为AB AB AB，两层一循，两层一循 环。可供第二层原子环。可供第二层原子 占据的占据的B位置为位置为马鞍马鞍 型凹窝型凹窝。 )101( 图图4.17 面上相邻面上相邻 两层原子的分布图两层原子的分布图 )101( 图图4.17 面上相邻面上相邻 两层原子的分布图两层原子的分布图 )101( 显然，若将某一显然，若将某一B 层原子的位置向凹层原子的位置向凹 窝中心窝中心B1或或B2错动错动 时，便可得到两种时，便可得到两种 滑移型层错滑移型层错： AB AB AB1 AB1 AB1 或或

20、AB AB AB2 AB2 AB2 （4-4） 在凹窝中心两侧处各在凹窝中心两侧处各有两个同等稳定的位置有两个同等稳定的位置 B1和和B2都是都是B层原子可以占据的能量极小处，从层原子可以占据的能量极小处，从 而为而为形成层错提供了可能性形成层错提供了可能性。 但但112不是密排面，不能按刚球密堆方式不是密排面，不能按刚球密堆方式 逐层堆垛，如逐层堆垛，如图图4.18（a）所示。若沿）所示。若沿 方向方向 观察时，可将观察时，可将 面上各原子在（面上各原子在（110）面上的）面上的 投影示于图投影示于图4.18（b）。）。 在体心立方晶体中，还有一种在在体心立方晶体中，还有一种在112面上形面

21、上形 成层错的可能性。成层错的可能性。112面是体心立方晶体中最常面是体心立方晶体中最常 见到的滑移面，也是孪晶面见到的滑移面，也是孪晶面(Twinning Plane)，为，为 形成层错提供了有利条件。形成层错提供了有利条件。 ABCDEF ABCDEF AB （4-5） n而且，由于相邻两层而且，由于相邻两层 面上的原子沿面上的原子沿 方方 向高度不同，又可将体心立方晶体的堆垛特点按向高度不同，又可将体心立方晶体的堆垛特点按 面的堆垛周期中每两层为一组加以描述：面的堆垛周期中每两层为一组加以描述： A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 B1 B 2 C1 C2 A1 A2 （4

22、-6） 011 a 2 2 )211 ( )211 (011 )211 ( 图图4.18 面上的原子分布及其堆垛特点面上的原子分布及其堆垛特点 （a） 面上原子的分布；面上原子的分布； （b） 面上原子在（面上原子在（110）面上的投影）面上的投影 )211 ( )211 ( )211 ( 根据以上根据以上112面的堆垛特点，可有以下三面的堆垛特点，可有以下三 种方式在体心立方晶体中形成层错。种方式在体心立方晶体中形成层错。 A 滑移方式滑移方式 由图由图4.18可知，可知， 面与（面与（110）面相交，）面相交， 其交线其交线 恰好为滑移方向。每相邻两层恰好为滑移方向。每相邻两层 面原子之间

23、的相对滑移矢量为面原子之间的相对滑移矢量为 ，如，如图图 4.19所示。若将某一层所示。若将某一层 面原子（如面原子（如A层原层原 子）以上部分相对于以下的子）以上部分相对于以下的F层滑移层滑移 或或 ， 可将体心立方晶体的堆垛次序变化而形成可将体心立方晶体的堆垛次序变化而形成I1型型 内禀层错：内禀层错： I1=FEDCBAFEFEDCBA （4-7） )211 ( 111 )211 (111 6 1 )211 ( 111 6 1 111 3 1 图图4.19 原子在（原子在（110）面上的投影）面上的投影 （代表位于纸面上的原子；（代表位于纸面上的原子；代表位于纸面下的原子）代表位于纸面下

24、的原子） B 抽出方式抽出方式 n若在体心立方晶体的正常堆垛周期中，抽出一若在体心立方晶体的正常堆垛周期中，抽出一 对原子层（如对原子层（如C层和层和D层），可形成如下层），可形成如下I2型内型内 禀层错：禀层错： I2=FEDCBAFE BAFEDCBA （4-8） C 插入方式插入方式 n若在体心立方晶体中的正常堆垛周期中，在某若在体心立方晶体中的正常堆垛周期中，在某 一一B面处将晶体切开后，使其上各层原子向上面处将晶体切开后，使其上各层原子向上 沿沿 方向移动方向移动 距离，再在该空隙中插距离，再在该空隙中插 入一对原子层（如入一对原子层（如E层和层和F层），则可形成层），则可形成E型型

25、 外延层错：外延层错： E=CDEFABE FCDEFABC （4-9） 211 211 3 1 n在上述改变在上述改变112面堆垛次序的过程中，面堆垛次序的过程中， 要相应破坏或变动相邻原子层的键合状要相应破坏或变动相邻原子层的键合状 态。按照所涉及的原子键合破坏的程度，态。按照所涉及的原子键合破坏的程度， 可以认为，可以认为，I1型内禀层错所需能量最小型内禀层错所需能量最小， 而形成其他两种层错所需能量较大。因而形成其他两种层错所需能量较大。因 此此在体心立方晶体中在体心立方晶体中，层错一般，层错一般以以I1型型 为主为主，其他两种层错的实用意义不大。，其他两种层错的实用意义不大。 4.5

26、.3 不全位错不全位错 n在体心立方晶体中可能形成的不全位错主要有：在体心立方晶体中可能形成的不全位错主要有： 1)在在110面上形成一部分层错时，其边界为不全面上形成一部分层错时，其边界为不全 位错位错 ； 2)在在112面上形成一部分层错时，其边界为不全面上形成一部分层错时，其边界为不全 位错位错 或或 。 n另外，在体心立方晶体中，也可能在另外，在体心立方晶体中，也可能在I1型层错的型层错的 基础上进一步形成基础上进一步形成I3型层错，与其相对应的型层错，与其相对应的112 面的堆垛次序如下：面的堆垛次序如下： I3=FEDCBAF F A AFEDCBA （4-10） 110 8 1

27、111 6 1 111 3 1 E B 这种这种I3型层错相当于具有三个原子层厚的孪晶，型层错相当于具有三个原子层厚的孪晶， 可以看成是在如图可以看成是在如图4.20（a）所示的）所示的I1型层错的基础型层错的基础 上，经柏氏矢量为上，经柏氏矢量为 和和 的两不全位错在的两不全位错在FE 和和ED两原子层之间相继滑移的结果。若在两原子层之间相继滑移的结果。若在112面上面上 形成一部分形成一部分I3型层错时，其边界的一端为三个分布在型层错时，其边界的一端为三个分布在 相邻三个滑移面上的相邻三个滑移面上的 不全位错，另一端为柏氏不全位错，另一端为柏氏 矢量和等于零的区域位错，如图矢量和等于零的区

28、域位错，如图4.20（b）所示。）所示。 图图4.20 在在 面上形成的（面上形成的（a）部分）部分I1型层错和（型层错和（b）部分）部分I3型层错型层错 111 3 1 111 6 1 111 6 1 )211 ( 4.5.4 扩展位错扩展位错 A 在在110面上的扩展位错面上的扩展位错 n如图如图所示，所示，B层原子要从一个平衡位置滑移到层原子要从一个平衡位置滑移到 另一个平衡位置时，比较容易的途径是另一个平衡位置时，比较容易的途径是将全位将全位 错的运动分解成三个不全位错的运动错的运动分解成三个不全位错的运动，即，即 n这种全位错这种全位错分解的特点分解的特点是，所形成的是，所形成的 。

29、其中，。其中， 位错留在原位错留在原 位错位错 所在处，所在处， 和和 两不全位错构成扩展位两不全位错构成扩展位 错的两个边界。错的两个边界。 321 110 8 112 4 110 8 111 2 bbbb aaaa 2 b b 1 b 3 b n 面上相邻两层原子的分布图面上相邻两层原子的分布图 n科恩（科恩（Cohen）等人曾用这种模型设想一个）等人曾用这种模型设想一个 螺型螺型 位错分解形成可滑移型扩展位错的可能性，如位错分解形成可滑移型扩展位错的可能性，如图图4.21 （a）所示，这种分解反应称为）所示，这种分解反应称为可滑移分解可滑移分解。 n柯佑帕（柯佑帕（Kroupa）等人又设

30、想）等人又设想 螺型位错可沿属于螺型位错可沿属于 111晶带轴的三个晶带轴的三个110面内分解，如面内分解，如图图4.21（b）和）和 （c）所示。其位错反应如下：）所示。其位错反应如下： n 为中心螺型位错，分别与另三个不全位错以三片层为中心螺型位错，分别与另三个不全位错以三片层 错相联，故称为错相联，故称为三叶位错三叶位错。在图。在图4.21中，（中，（b）和（）和（c） 是等效的两个状态，可以交替地沿同一条位错线扩展。是等效的两个状态，可以交替地沿同一条位错线扩展。 4321 111 4 1 011 8 1 101 8 1 110 8 1 111 2 1 bbbbb 111 2 1 11

31、1 2 1 4 b 图图4.21 柏氏矢量为柏氏矢量为 的螺型位错在的螺型位错在110面上分解面上分解 （a）可滑移分解；（）可滑移分解；（b）和（）和（c）不可滑移分解，两种状态相差）不可滑移分解，两种状态相差180 111 2 1 B 在在112面上的扩展位错面上的扩展位错 nFrank等人提出，等人提出， 螺型位错可在螺型位错可在112面上按下式面上按下式 分解扩展：分解扩展： 这是由于这是由于一个螺型全位错分解成两个螺型不全位错一个螺型全位错分解成两个螺型不全位错， 均位于同一滑移面上，如均位于同一滑移面上，如图图4.22（a）所示。这种位错）所示。这种位错 组态在外力作用下可整体滑移

32、，也称为组态在外力作用下可整体滑移，也称为可滑移分解可滑移分解。 n赫许（赫许（Hirsch）等人又提出了一种）等人又提出了一种 螺型位错沿属螺型位错沿属 于于111晶带轴的三个晶带轴的三个112面上分解的可能性，如面上分解的可能性，如图图 4.22（b）所示，即）所示，即 111 2 1 111 3 1 111 6 1 111 2 1 111 2 1 111 6 1 111 6 1 111 6 1 111 2 1 n其特点是形成相交的三片层错，分别以三个其特点是形成相交的三片层错，分别以三个 螺型螺型 不全位错为边界，但却不全位错为边界，但却无中心不全位错无中心不全位错。 n斯利维克（斯利维

33、克（Sleeswyk）认为这种中心无不全位错的扩）认为这种中心无不全位错的扩 展位错不稳定，应按展位错不稳定，应按图图4.22（c）所示的方式分解。在）所示的方式分解。在 无应力作用时，图无应力作用时，图4.22（c）中所示的组态可有三种等）中所示的组态可有三种等 效情况（相差效情况（相差120）。）。 n这种这种各不全位错分别位于不同滑移面上的分解各不全位错分别位于不同滑移面上的分解，也称，也称 为为不可滑移分解不可滑移分解。所形成的扩展位错组态具有阻碍其。所形成的扩展位错组态具有阻碍其 他位错滑移的特性。他位错滑移的特性。 111 6 1 图图4.22 螺型位错在螺型位错在112面上分解机

34、制示意图面上分解机制示意图 （a）可滑移分解；可滑移分解；（b）不可滑移分解，无中心位错；不可滑移分解，无中心位错； （c）不可滑移分解，有中心位错不可滑移分解，有中心位错 111 2 1 4.6.1 层错层错 n密排六方晶体也为密排结构，其密排六方晶体也为密排结构，其堆垛次序堆垛次序为为 AB AB AB，二层一循环。，二层一循环。密排面密排面是（是（0001） 面，这种密排面也可以用刚球模型来描述，如面，这种密排面也可以用刚球模型来描述，如 图图4.23所示。所示。 图图4.23 密排六方晶体密排六方晶体 中密排面的刚球模型中密排面的刚球模型 在密排六方晶体中，层错也有内禀型和外延在密排六

35、方晶体中，层错也有内禀型和外延 型之分，可分别由以下三种方式形成。型之分，可分别由以下三种方式形成。 A 抽出一层原子后，上下两部分晶体适当平移抽出一层原子后，上下两部分晶体适当平移 n若在密排六方晶体的正常若在密排六方晶体的正常AB AB堆垛次序中去堆垛次序中去 掉某一层原子，如掉某一层原子，如B层原子，再使其上各层原层原子，再使其上各层原 子的位置平移子的位置平移 ，会使堆垛次序变为，会使堆垛次序变为 （4-11） 则形成则形成内禀型层错内禀型层错，即，即 AB AB AB ACA CA CA （4-12） 1001 3 1 ACAC BABAABABA n其特点是从其特点是从AB AB两

36、层循环堆垛过渡到两层循环堆垛过渡到AC AC堆垛之堆垛之 间，存在三层堆垛结构间，存在三层堆垛结构BAC。由于不可能由同种类面。由于不可能由同种类面 构成邻近面，如构成邻近面，如AA和和BB，所以在，所以在密排六方晶体中的密排六方晶体中的 层错必然包含面心立方晶体中的堆垛层次层错必然包含面心立方晶体中的堆垛层次。 B 简单滑移简单滑移 n若将晶体在某一若将晶体在某一B层处剖开，使上部晶体相对下部晶层处剖开，使上部晶体相对下部晶 体平移至体平移至C位置，也可形成位置，也可形成内禀型层错内禀型层错，例如，例如 （4-13） 则得则得 AB AB ABCA CA CA （4-14） ACACAC B

37、ABABAABAB C 插入一层原子插入一层原子 n若在若在A和和B层之间插入一层层之间插入一层C原子，则可形成原子，则可形成外外 延型层错延型层错，即，即 （4-15） n显然，第一种和第三种情况可以相互转化，通显然，第一种和第三种情况可以相互转化，通 过滑移会由一种层错变成另一种层错，例如过滑移会由一种层错变成另一种层错，例如 第一种：第一种：AB AB AC A C A C （滑移）（滑移） 第三种：第三种：AB AB A C B A B A （4-16） BABABCABABA 4.6.2 不全位错不全位错 A 密排六方晶体中的矢量记号密排六方晶体中的矢量记号 利用图利用图4.24所示

38、的所示的双角锥体双角锥体表示密排六方表示密排六方 晶体中的各矢量。晶体中的各矢量。 图图4.24 密排六方晶体中的密排六方晶体中的柏格森记号柏格森记号 可以看出，密排六方晶体中重要的位错有：可以看出，密排六方晶体中重要的位错有： n1）6个柏氏矢量等于双角锥体个柏氏矢量等于双角锥体基面基面ABC的边长的边长 的的全位错全位错，即，即 ； n2）2个柏氏矢量个柏氏矢量垂直于基面垂直于基面的的全位错全位错， 即即 ； n3）12个个 型的型的不全位错不全位错，其柏氏矢量可，其柏氏矢量可 用用 表示，是代表表示，是代表SA和和TB中点连线长中点连线长 度两倍的矢量度两倍的矢量； n4）4个柏氏矢量个

39、柏氏矢量垂直于底面垂直于底面的的不全位错不全位错，即，即 ； CABC,AB和 TSST 和 3211 3 1 TB/SA TS和 n5）6个在基面上的个在基面上的肖克莱不全位错肖克莱不全位错，其柏氏矢，其柏氏矢 量分别为量分别为 ； n6）12个柏氏矢量为个柏氏矢量为 的的不全位错不全位错，是由，是由4）和）和5）两不全位错合）两不全位错合 成的结果。成的结果。 n密排六方晶体中密排六方晶体中常见位错的柏格森记号常见位错的柏格森记号(表表4-3) CBA和, CTBTTCSBS和、AAS （2）戴曼诺（）戴曼诺（Damiano）记号）记号 n图图4.25所示的基本六方单位晶胞上，各符号表所示

40、的基本六方单位晶胞上，各符号表 示密排六方晶体中常见位错的柏氏矢量及滑移示密排六方晶体中常见位错的柏氏矢量及滑移 面，面，见表见表4.4。 图图4.25 密排六方晶体中矢量的密排六方晶体中矢量的戴曼诺记号戴曼诺记号 表表4.4 密排六方晶体中密排六方晶体中常见位错及滑移面的戴曼诺记号常见位错及滑移面的戴曼诺记号 B 肖克莱不全位错肖克莱不全位错 n在铍、镁、镉和锌等具有密排六方点阵的金属在铍、镁、镉和锌等具有密排六方点阵的金属 中，滑移系统中，滑移系统 （0001）的临界切应力很的临界切应力很 低，使基面滑移易于进行。低，使基面滑移易于进行。在基面上，全位错在基面上，全位错 可分解成两个肖克莱

41、不全位错，中间以内禀型可分解成两个肖克莱不全位错，中间以内禀型 层错区相连，层错区相连，如如图图4.26所示。相应的位错反应所示。相应的位错反应 按柏格森记号为：按柏格森记号为： （4-17） 即即 0211 3 1 BAAB 0101 3 1 0110 3 1 0211 3 1 两肖克莱不全位错的柏氏矢量同全位错的柏氏两肖克莱不全位错的柏氏矢量同全位错的柏氏 矢量之间呈矢量之间呈30角。肖克莱不全位错可具有角。肖克莱不全位错可具有 刃型、螺型或混合型等类型。刃型、螺型或混合型等类型。 （4-11）式）式（4-13）式）式 图图4.26 全位错在基面上分解成两个肖克莱位错和内禀型层错全位错在基

42、面上分解成两个肖克莱位错和内禀型层错 C 弗兰克不全位错弗兰克不全位错 n在密排六方晶体中，可由在密排六方晶体中，可由空位盘崩塌空位盘崩塌或或间隙原间隙原 子沉淀子沉淀形成弗兰克位错。由形成弗兰克位错。由图图4.27可见，可见，空位空位 在基面上在基面上聚集聚集和和崩塌崩塌后，会导致后，会导致同种类原子层同种类原子层 成为成为近邻近邻，使系统，使系统能量增高能量增高。改变这种不稳定。改变这种不稳定 原子组态的一种方式是将空位盘上面的一层原原子组态的一种方式是将空位盘上面的一层原 子由子由B位置改变到位置改变到C位置，成为一层附加的位置，成为一层附加的C原原 子，如子，如图图4.27（c）所示。

43、这相当于其上层和所示。这相当于其上层和 下层各有符号相反的一个柏氏矢量为下层各有符号相反的一个柏氏矢量为 的肖克莱位错运动的结果。的肖克莱位错运动的结果。 0110 3 1 图图4.27 弗兰克位错环的空位盘崩塌形成机制弗兰克位错环的空位盘崩塌形成机制 （a）空位在基面上聚集形成空位盘；（）空位在基面上聚集形成空位盘；（b）空位盘崩塌；）空位盘崩塌； （c）调整层错区堆垛次序，形成外延型弗兰克位错环；）调整层错区堆垛次序，形成外延型弗兰克位错环； （d）调整层错区堆垛次序，形成内禀型弗兰克位错环）调整层错区堆垛次序，形成内禀型弗兰克位错环 n所涉及的位错反应按戴曼诺记号为：所涉及的位错反应按戴

44、曼诺记号为： （4-18） 即即 00 AAAA 0001 2 1 1001 3 1 0011 3 1 0001 2 1 然而，然而，按此种方式所形成的弗兰克位错环包围着按此种方式所形成的弗兰克位错环包围着 层错，所需能量较大，层错，所需能量较大，故故有可能在层错区有可能在层错区 萌生一个肖克莱位错环，并由其扩展运动使层错萌生一个肖克莱位错环，并由其扩展运动使层错 变为变为。于是，在原弗兰克位错环所在的边。于是，在原弗兰克位错环所在的边 界处，便可能发生如下反应而形成界处，便可能发生如下反应而形成 型的弗兰型的弗兰 克位错。克位错。 0 AA （4-19） 即即 n在所得到的弗兰克位错环内包围

45、着内禀型层错，在所得到的弗兰克位错环内包围着内禀型层错， 层错能较低。一般认为，层错能较低。一般认为，外延型层错的层错能外延型层错的层错能 约为内禀型层错的三倍。约为内禀型层错的三倍。所以，所以，在密排六方晶在密排六方晶 体中由空位盘崩塌形成的弗兰克位错环的柏氏体中由空位盘崩塌形成的弗兰克位错环的柏氏 矢量以矢量以 为主。为主。位错环的尺寸受层错能、位错环的尺寸受层错能、 应力、温度和杂质含量等影响。应力、温度和杂质含量等影响。 和和 型弗兰克位错环不能沿基面滑移（不动位型弗兰克位错环不能沿基面滑移（不动位 错），但两者均可攀移。错），但两者均可攀移。 00 AAAA 2032 6 1 000

46、1 2 1 1001 3 1 3220 6 1 0 A 0 AA n另外，也可以由另外，也可以由间隙原子在基面上沉淀间隙原子在基面上沉淀 (Precipitate)形成形成如如图图4.28（a）和（）和（b）的围）的围 绕绕外延型层错外延型层错的弗兰克位错环，其柏氏矢量的弗兰克位错环，其柏氏矢量 为为 。由于其层错能高使位错环尺寸足够。由于其层错能高使位错环尺寸足够 大时，会大时，会按（按（4-19）式）式通过肖克莱位错环的萌通过肖克莱位错环的萌 生与运动而生与运动而转变成内禀型转变成内禀型弗兰克位错环，如图弗兰克位错环，如图 4.28（c）所示。在经辐照的）所示。在经辐照的Mg、Cd和和Zn

47、中，中， 已观察到间隙原子在基面上沉淀形成的弗兰克已观察到间隙原子在基面上沉淀形成的弗兰克 位错环，其柏氏矢量为位错环，其柏氏矢量为 和和 两种。两种。 0001 2 1 0001 2 1 3220 6 1 图图4.28 弗兰克位错环的间隙原弗兰克位错环的间隙原 子沉淀形成机制子沉淀形成机制 （a）间隙原子在基面上沉淀；）间隙原子在基面上沉淀； （b）外延型弗兰克位错环的）外延型弗兰克位错环的 形成；形成； （c）内禀型弗兰克位错环的）内禀型弗兰克位错环的 形成形成 D 其他不全位错其他不全位错 n除在表除在表4.3中已讨论过的几种不全位错外，其中已讨论过的几种不全位错外，其 余位错均与位错分解或合成有关。例如，可动余位错均与位错分解或合成有关。例如，可动 的不全位错的不全位错 位于基面，围绕着内禀型层错，位于基面，围绕着内禀型层错， 并对以下位错分解反应具有亚稳定性。并对以下位错分解反应具有亚稳定性。 或或 n不动位错不动位错 也有一定的亚稳定性，可按以下也有一定的亚稳定性，可按以下 反应分解：反应分解：