浅析位错运动的形成与类型
李健
（同济大学材料科学与工程学院，2012级，1251654）
摘要：位错是晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。本文将结合位错的基本类型来浅析位错运动的形成与类型。
关键词：刃型位错、螺型位错、滑移、攀移、交滑移
0引言
位错最重要和最基本的形态有刃型位错、螺型位错两种，也有介于这两者之间的混合型位错。位错对于晶体生长、塑性变形和断裂、强度和塑性、扩散和相变等性质有着重要影响。
1956年Bollmann 在不锈钢中，Hirsch 在铝中独立地发现用电子显微镜透过减薄到约1000埃的金属膜能观察到位错，且膜内的温度梯度或氧化层生长所引起的应力作用下位错能够自由运动，Hirsch还制作了位错运动的影片。此后，对各种蚀坑和生长图形的考察以及滑移线的形成，早已证明位错是可动的。1刃型位错的运动
刃型位错相当于局部滑移区的边界，晶体某一区域受压缩作用后，造成质点滑移，滑移面和未滑移面的交界处有一条交界线，称之为位错线。位错线以上部分的原子间距较密、下部分原子间距较疏，原子间距疏密不均的现象视为线缺陷，这类线缺陷为刃型位错。如果在
刃型位错的特点是滑移方向垂直于位错线，平行于Burgers 矢量。此外，把多余半原子面在滑移面的上边的刃型位错称为正刃型位错，反之为负刃型位错。
1.1刃型位错的滑移运动
如果在刃型位错的滑移面上施加一个垂直于位错线的切应力，这个位错线就很容易在滑移面上运动起来。这种运动只牵涉到靠近位错心部为数不多的一些原
子，而离位错心部较远的原子不受位错移动的影响，因而使位错移动的切应力是
很小的。
图为刃型位错滑移示意图。在外加力t 的作用下，位错中心的原子从“.”位置移动到“。”位置，使得位错在滑移面上向左移动了一个原子间距。如果切应力t 继续作用下去，位错就会继续向左逐步移动。当位错线沿滑移面滑移（如图b 所示）通过整个晶体时，就会在晶体表面沿Burgers 矢量方向产生宽度为Burgers 矢量大小的台阶，造成晶体的塑性形变。
随着位错的滑移，位错线所扫过的区域逐渐扩大，未滑移区逐渐减小，两个区域始终以位错线为分界线。
在滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线而平行于Burgers 矢量，刃型位错的滑移面是由位错线和Burgers 矢量所确定的唯一的平面。
此外刃型位错分为正负两种，如图，在相同的外加切应力作用下，正、负刃型位错的运动方向相反，但产生的形变却完全相同。两排符号相反的刃型位错在距离小于1nm 的两个滑移面上移动，相遇后对消而产生裂纹萌芽，如上图所示。
1.2刃型位错的攀移运动
刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称之为攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。
刃型位错的攀移相当于多余半原子面的伸长或者缩短，可通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现，如果有空位迁移到半原子面下端或半原子面下端的原子扩散至别处，则半原子面将会缩小，刃型位错向上运动，发生正攀移；反之，若有原子扩散至半原子面下端，半原子面扩大，刃型位错向下运动，发生负攀移。而螺型位错没有多余的半原子面，因此不会发生螺型位错的攀移运动，只有刃型
位错的攀移运动（如下图）。
攀移运动伴随着位错线附近的原子增加和减少，即有物质的迁移，也就有体积的变化，攀移受体积变化引起的较大阻力影响，实现很困难。而体积变化同时也可由外加正应力和空位或间隙原子的聚集产生，所以刃型位错的攀移运动的驱动力可为弹性攀移力和渗透力。
弹性攀移力大小与平行于Burgers 矢量方向的正应力有关。渗透力和晶体中空位和或间隙原子的过饱和度有关，温度越高，空位过饱和度越大，渗透力越大。这表明温度越高并且晶体存在过饱和空位时，刃型位错容易产生攀移运动。2螺型位错的运动
在刃型位错中，晶体发生局部滑移的方向是与位错线垂直的，如果局部滑移是沿着与位错线平行的方向移动一个原子间距，那么在滑移区与未滑移区的边界上形成一个位错，原子平面在位错线附近扭曲为螺旋面，即为螺型位错。
螺型位错的特点是位错线平行于Burgers 矢量，根据螺旋面的旋转方向，分为左旋和右旋，符合右手法则（以右手拇指代表螺旋面的前进方向，其他四指代
替螺旋面的旋转方向）的称为右螺旋位错，反之，符合左手法则的称之为左螺旋位错。螺旋位错只引起剪切畸变，不引起体积变化。
2.1螺型位错的滑移运动
因为螺型位错有无数个滑移面，所以它的位错线在晶体中可以平行于Burgers
矢量作任意移动，下图为螺型位错的滑移示意图。
滑移面以下的原子用“。”代替，滑移面以上的原子用“.”代替，如图可知，滑移时位错线附件原子的移动量很小，所以螺型位错的滑移运动需要的切应力很小。
当位错线沿滑移面划过整个晶体时，同样会在晶体表面沿着Burgers 矢量方向产生一个宽度为Burgers 矢量大小的台阶，如图(b)。
滑移时，螺型位错的滑移方向与位错线垂直，与Burgers 矢量垂直，如图（c）所示。
2.2螺型位错的交滑移运动
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可以成为其滑移面，因此，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称之为交滑移。如果交滑移后的位错再转而回与原滑移面平行的滑移面上继续滑行，则称之为双交滑移。
3混合型位错的滑移运动
混合型位错的Burgers 矢量与位错线成一定角度，对于混合型位错的研究方法通常是将其分解为两个位错分量的和，一个是刃型位错，一个是螺型位错。而
混合型位错的滑移运动如右下图所示。
根据确定位错线运动的右手法则，以拇指代表沿着Burgers 矢量移动的那部分晶体，食指代表位错线移动方向，则中指就代表位错线移动方向。该混合型位错在外加切应力t 的作用下，将沿着其各点的法线方向在滑移面上向外扩展，最终是的上下两块晶体沿着Burgers 矢量方向移动了一个Burgers 矢量大小的距离。
混合型位错的滑移运动特点在于滑移方向与外加切应力t 和Burgers 矢量成一定角度，晶体的滑移方向与外加切应力t 和Burgers 矢量相一致。如图所示为三类位错滑移方向与外加切应力t 和Burgers
矢量的关系。
参考文献：
[1]科学出版社.（法）Friedel,J著；王煜译.位错.1980
[2]冶金工业出版社.王亚男、陈树江.位错理论及其应用.2007-03
[3]上海科学技术出版社.陈进化.位错基础.1984
浅析位错运动的形成与类型
李健
（同济大学材料科学与工程学院，2012级，1251654）
摘要：位错是晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。本文将结合位错的基本类型来浅析位错运动的形成与类型。
关键词：刃型位错、螺型位错、滑移、攀移、交滑移
0引言
位错最重要和最基本的形态有刃型位错、螺型位错两种，也有介于这两者之间的混合型位错。位错对于晶体生长、塑性变形和断裂、强度和塑性、扩散和相变等性质有着重要影响。
1956年Bollmann 在不锈钢中，Hirsch 在铝中独立地发现用电子显微镜透过减薄到约1000埃的金属膜能观察到位错，且膜内的温度梯度或氧化层生长所引起的应力作用下位错能够自由运动，Hirsch还制作了位错运动的影片。此后，对各种蚀坑和生长图形的考察以及滑移线的形成，早已证明位错是可动的。1刃型位错的运动
刃型位错相当于局部滑移区的边界，晶体某一区域受压缩作用后，造成质点滑移，滑移面和未滑移面的交界处有一条交界线，称之为位错线。位错线以上部分的原子间距较密、下部分原子间距较疏，原子间距疏密不均的现象视为线缺陷，这类线缺陷为刃型位错。如果在
刃型位错的特点是滑移方向垂直于位错线，平行于Burgers 矢量。此外，把多余半原子面在滑移面的上边的刃型位错称为正刃型位错，反之为负刃型位错。
1.1刃型位错的滑移运动
如果在刃型位错的滑移面上施加一个垂直于位错线的切应力，这个位错线就很容易在滑移面上运动起来。这种运动只牵涉到靠近位错心部为数不多的一些原
子，而离位错心部较远的原子不受位错移动的影响，因而使位错移动的切应力是
很小的。
图为刃型位错滑移示意图。在外加力t 的作用下，位错中心的原子从“.”位置移动到“。”位置，使得位错在滑移面上向左移动了一个原子间距。如果切应力t 继续作用下去，位错就会继续向左逐步移动。当位错线沿滑移面滑移（如图b 所示）通过整个晶体时，就会在晶体表面沿Burgers 矢量方向产生宽度为Burgers 矢量大小的台阶，造成晶体的塑性形变。
随着位错的滑移，位错线所扫过的区域逐渐扩大，未滑移区逐渐减小，两个区域始终以位错线为分界线。
在滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直于位错线而平行于Burgers 矢量，刃型位错的滑移面是由位错线和Burgers 矢量所确定的唯一的平面。
此外刃型位错分为正负两种，如图，在相同的外加切应力作用下，正、负刃型位错的运动方向相反，但产生的形变却完全相同。两排符号相反的刃型位错在距离小于1nm 的两个滑移面上移动，相遇后对消而产生裂纹萌芽，如上图所示。
1.2刃型位错的攀移运动
刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称之为攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。
刃型位错的攀移相当于多余半原子面的伸长或者缩短，可通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现，如果有空位迁移到半原子面下端或半原子面下端的原子扩散至别处，则半原子面将会缩小，刃型位错向上运动，发生正攀移；反之，若有原子扩散至半原子面下端，半原子面扩大，刃型位错向下运动，发生负攀移。而螺型位错没有多余的半原子面，因此不会发生螺型位错的攀移运动，只有刃型
位错的攀移运动（如下图）。
攀移运动伴随着位错线附近的原子增加和减少，即有物质的迁移，也就有体积的变化，攀移受体积变化引起的较大阻力影响，实现很困难。而体积变化同时也可由外加正应力和空位或间隙原子的聚集产生，所以刃型位错的攀移运动的驱动力可为弹性攀移力和渗透力。
弹性攀移力大小与平行于Burgers 矢量方向的正应力有关。渗透力和晶体中空位和或间隙原子的过饱和度有关，温度越高，空位过饱和度越大，渗透力越大。这表明温度越高并且晶体存在过饱和空位时，刃型位错容易产生攀移运动。2螺型位错的运动
在刃型位错中，晶体发生局部滑移的方向是与位错线垂直的，如果局部滑移是沿着与位错线平行的方向移动一个原子间距，那么在滑移区与未滑移区的边界上形成一个位错，原子平面在位错线附近扭曲为螺旋面，即为螺型位错。
螺型位错的特点是位错线平行于Burgers 矢量，根据螺旋面的旋转方向，分为左旋和右旋，符合右手法则（以右手拇指代表螺旋面的前进方向，其他四指代
替螺旋面的旋转方向）的称为右螺旋位错，反之，符合左手法则的称之为左螺旋位错。螺旋位错只引起剪切畸变，不引起体积变化。
2.1螺型位错的滑移运动
因为螺型位错有无数个滑移面，所以它的位错线在晶体中可以平行于Burgers
矢量作任意移动，下图为螺型位错的滑移示意图。
滑移面以下的原子用“。”代替，滑移面以上的原子用“.”代替，如图可知，滑移时位错线附件原子的移动量很小，所以螺型位错的滑移运动需要的切应力很小。
当位错线沿滑移面划过整个晶体时，同样会在晶体表面沿着Burgers 矢量方向产生一个宽度为Burgers 矢量大小的台阶，如图(b)。
滑移时，螺型位错的滑移方向与位错线垂直，与Burgers 矢量垂直，如图（c）所示。
2.2螺型位错的交滑移运动
对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可以成为其滑移面，因此，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这一过程称之为交滑移。如果交滑移后的位错再转而回与原滑移面平行的滑移面上继续滑行，则称之为双交滑移。
3混合型位错的滑移运动
混合型位错的Burgers 矢量与位错线成一定角度，对于混合型位错的研究方法通常是将其分解为两个位错分量的和，一个是刃型位错，一个是螺型位错。而
混合型位错的滑移运动如右下图所示。
根据确定位错线运动的右手法则，以拇指代表沿着Burgers 矢量移动的那部分晶体，食指代表位错线移动方向，则中指就代表位错线移动方向。该混合型位错在外加切应力t 的作用下，将沿着其各点的法线方向在滑移面上向外扩展，最终是的上下两块晶体沿着Burgers 矢量方向移动了一个Burgers 矢量大小的距离。
混合型位错的滑移运动特点在于滑移方向与外加切应力t 和Burgers 矢量成一定角度，晶体的滑移方向与外加切应力t 和Burgers 矢量相一致。如图所示为三类位错滑移方向与外加切应力t 和Burgers
矢量的关系。
参考文献：
[1]科学出版社.（法）Friedel,J著；王煜译.位错.1980
[2]冶金工业出版社.王亚男、陈树江.位错理论及其应用.2007-03
[3]上海科学技术出版社.陈进化.位错基础.1984