刃位錯：一個刃位錯附近的晶面排列情況，圖中黑線代表伯格斯矢量方向，藍線為位錯線。刃位錯附近的原子排列情況，沿平行于位錯線方向觀察若一個晶面在晶體內(nèi)部突然終止于某一條線處，則稱這種不規(guī)則排列為一個刃位錯。

中文名

刃位錯

外文名

edge dislocations

位錯提出者

維托·伏爾特拉

位錯提出時間

1905年

唯一確定的量

位錯線和伯格斯矢量

理想位錯形式

刃位錯和 螺位錯

概述

刃位錯計算公式

刃位錯附近的原子面會發(fā)生朝位錯線方向的扭曲。刃位錯可由兩個量唯一地確定：第一個是位錯線，即多余半原子面終結(jié)的那一條直線；第二個是伯格斯矢量（Burgers vector，簡稱伯氏矢量或柏氏矢量），它描述了位錯導(dǎo)致的原子面扭曲的大小和方向。對刃位錯而言，其伯氏矢量方向垂直于位錯線的方向。

利用彈性力學(xué)理論可求得刃位錯導(dǎo)致的應(yīng)力場為：其中 μ 為材料的剪切模量，b 為伯格斯矢量，ν 為泊松比，x 和 y 為直角坐標(biāo)分量。從上述解中可以看出，在含有多余半原子面的一側(cè)（y > 0），材料承受壓應(yīng)力（σxx < 0）；在多余半原子面“消失”的一側(cè)（y < 0），材料承受拉應(yīng)力（σxx > 0）。

概念

刃位錯具體體現(xiàn)

位錯又可稱為差排（英語：dislocation），在材料科學(xué)中，指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)缺陷）。從幾何角度看，位錯屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響?！拔诲e”這一概念最早由意大利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家維托·伏爾特拉（Vito Volterra）于1905年提出。

理想位錯主要有兩種形式：刃位錯（edge dislocations）和 螺位錯（screw dislocations）?；旌衔诲e（mixed dislocations）介乎前面兩者之間。

一個刃位錯（b = 伯格斯矢量）數(shù)學(xué)上，位錯屬于一種拓撲缺陷，有時稱為“孤立子”或“孤子”。這一理論可以解釋實際晶體中位錯的行為：可以在晶體中移動位置，但自身的種類和特征在移動中保持不變；方向（伯格斯矢量）相反的兩個位錯移動到同一點，則會雙雙消失，或稱“湮滅”，若沒有與其他位錯發(fā)生作用或移到晶體表面，那么任何單個位錯都不會自行“消失”（即伯格斯矢量始終保持守恒）。

位錯是晶體中最為常見的缺陷之一，它對晶體材料的各種性質(zhì)都有程度不同的影響，很早就被人們關(guān)注和研究，有了比較成熟的理論和大量的實驗研究成果。

晶體在結(jié)晶時受到雜質(zhì)﹑溫度變化或振動產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或由于晶體受到打擊﹑切削﹑研磨等機械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點排列變形，原子行間相互滑移，而不再符合理想晶體的有秩序的排列，由此形成的缺陷稱位錯。位錯是原子的一種特殊組態(tài)，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的晶格缺陷，因為它在一個方向上尺寸較長，所以被稱為線狀缺陷。位錯的假說是在30年代為了解釋金屬的塑性變形而提出來的，50年代得到證實。位錯的存在對晶體的生長、相變、擴散、形變、斷裂、以及其他許多物理化學(xué)性質(zhì)都有重要影響，了解位錯的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，對研究和了解金屬尤為重要，對了解陶瓷等多晶體中晶界的性質(zhì)和燒結(jié)機理，也是不可缺少的。

分類

刃位錯的表現(xiàn)

從位錯的幾何結(jié)構(gòu)來看，可將它們分為兩種基本類型：即刃型錯和螺型錯。二者都屬于線缺陷。

刃型位錯設(shè)有一簡單立方結(jié)構(gòu)的晶體，在切應(yīng)力 的作用下發(fā)生局部滑移，發(fā)生局部滑移后晶體內(nèi)在垂直方向出現(xiàn)了一個多余的半原子面，顯然在晶格內(nèi)產(chǎn)生了缺陷，這就是位錯，這種位錯在晶體中有一個刀刃狀的多余半原子面，所以稱為刃型位錯。位錯線的上部鄰近范圍受到壓應(yīng)力，而下部鄰近范圍受到拉應(yīng)力，離位錯線較遠處原子排列正常。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯為正刃型位錯，用符號“┴”表示，反之為負刃型位錯，用“┬”表示。當(dāng)然這種規(guī)定都是相對的。

特點

刃位錯特點

刃位錯的表現(xiàn)

1).刃型位錯有一個額外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱為正刃型位錯，記為“┻”；而把多出在下邊的稱為負刃型位錯，記為“┳”。其實這種正、負之分只具相對意義而無本質(zhì)的區(qū)別。

2).刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。

3).滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位錯中，位錯線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)成的平面只有一個。

4).晶體中存在刃型位錯之后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。就正刃型位錯而言，滑移面上方點陣受到壓應(yīng)力，下方點陣受到拉應(yīng)力：負刃型位錯與此相反。

5).在位錯線周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的平均能量。但該區(qū)只有幾個原子間距寬，畸變區(qū)是狹長的管道，所以刃型位錯是線缺陷。

關(guān)聯(lián)

刃位錯與螺位錯存在著很多區(qū)別，它們主要的不同點是：

（1）刃型位錯具有一個額外的半原子面，而螺型位錯無；

刃位錯特點

（2）刃型位錯必須與滑移方向垂直，也垂直與滑移矢量；而螺型位錯線與滑移矢量平行，且位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直。

（3）刃型位錯的滑移線不一定是直線，可以是折線或曲線；而螺位錯的滑移線一定是直線。

（4）刃位錯的滑移面只有一個，其不能在其他面上進行滑移；而螺位錯的滑移面不是唯一的。

（5）刃位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變，螺位錯只有切應(yīng)變而無正應(yīng)變

刃位錯的攀移

刃位錯

刃位錯

刃位錯的攀移位錯可以在包含了其伯格斯矢量和位錯線的平面內(nèi)滑移。螺位錯的伯氏矢量平行于位錯線，因此它可以在位錯線所在的任何平面內(nèi)滑移。而刃位錯的伯氏矢量垂直于位錯線，所以它只有一個滑移面。但刃位錯還有一種在垂直于其滑移面方向上的運動方式，這就是攀移，即構(gòu)成刃位錯的多余半原子面的伸長或縮短。

攀移的驅(qū)動力來自于晶格中空位的運動。如圖9所示，若一個空位移到了刃位錯滑移面上與位錯線相鄰的位置上，則位錯核心處的原子將有可能“躍遷”到空位處，造成半原子面（位錯核心）向上移動一個原子間距，這一刃位錯“吸收”空位的過程稱為正攀移。若反之，有原子填充到半原子面下方，造成位錯核心向下移動一個原子間距，則稱為負攀移。

由于正攀移導(dǎo)致了多余半原子面的退縮，所以將使晶體在垂直半原子面方向收縮；反之，負攀移將使晶體在垂直半原子面方向膨脹。因此，在垂直半原子面方向施加的壓應(yīng)力會促使正攀移的發(fā)生，反之拉應(yīng)力則會促使負攀移的發(fā)生。這是攀移與滑移在力學(xué)影響上的主要差別，因為滑移是由剪應(yīng)力而非正應(yīng)力促成的。

位錯的滑移與攀移另一處差異在于溫度相關(guān)性。溫度的升高能大大增加位錯攀移的概率。相比而言，溫度對滑移的影響則要小得多。