上一期复习了点缺陷，本期开始将对上海交通大学版《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

晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。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，其存在对材料的性能，特别是力学性能，有着显著的影响。

晶体在不同的应力状态下，滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃型位错、螺型位错和混合型位错。

02 刃型位错

在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面可想象为切入晶体的刀片，刀刃为位错线，即晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。

（1）形成原因：

晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。AD是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，即刃型位错的位错线。

图2

（2）分类：

正刃位错：用符号“┴” 表示

负刃位错：用符号“┬” 表示

符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。

（3）特征

• 位错线与原子滑移方向相垂直；

• 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；

• 位错线可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直;

• 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；

• 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。

• 滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受拉应力作用，原子间距大于正常晶格间距。

• 位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。

03螺型位错

一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。按旋进方向，螺位错分左旋螺型位错与右旋螺型位错两类。

（1）形成及定义：

在外加切应力τ作用下，晶体沿ABCD面发生滑移，图中bb’线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，形成螺位错。

图3

（2）几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。螺型位错的分类：有左、右旋之分。它们之间符合左手、右手螺旋定则。

（3）结构特征

①螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排是轴对称的，分右旋和左旋螺型位错；

②螺型位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；

③包含螺位错线的面必然包含滑移矢量，故螺位错的滑移面不是唯一的，这也是螺型位错可以产生交滑移的原因。

④位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。

⑤位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；

【注】这使得在垂直于螺型位错线的平面投影上，无法观测到螺型位错，其观测方法一直是科研界的难题，但近年来有国外学者在氮化镓中观测到了螺型位错。

04混合位错

刃位错和螺位错是主要的两种位错类型。然而实际晶体中存在的位错往往是混合型位错，即兼具刃型和螺型位错的特征。

在外力τ作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向。

图5 混合位错

位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。

位错线是已滑移区与未滑移区的边界线，所以一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环，是一种典型的混合位错。位错环不可能是纯螺型位错，但可以是纯刃型位错。

05重要思考题

位错是如何被发现的？

06易错题分享

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？

上期答案

在500℃(773K)所做的扩散实验指出，在1010个原子中有一个原子具有足够的激活能可以跳出其平衡位置而进入间隙位置。在600℃(873K)，此比例会增加到109。

(1)求此跳跃所需要的激活能；

(2)求在700℃(973K)具有足够能量的原子所占的比例为多少。

【解析】

（1）点缺陷浓度：

式中A为比例常数；k为玻耳兹曼常数；T为绝对温度。

上式两边取对数，则有：

解上述联立方程得：

（2）在700℃时：

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