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材料專業知識分享 | 讀懂位錯的柏氏矢量及位錯運動

位錯的柏氏矢量

柏氏矢量：晶體中有位錯存在時，滑移面一側質點相對于另一側質點的相對位移或畸變。性質：大小表征了位錯的單位滑移距離，方向與滑移方向一致，是一個反映位錯周圍點畸變總累積的物理量。

柏氏回路及柏氏矢量

柏氏矢量是位錯的單位滑移距離，由柏氏回路決定的。

柏氏回路：從理想晶體某一點出發，按基本平移矢量方向走，最后又回到原出發點，這種回路叫柏氏回路。若回路中無位錯，則首尾相連，否則首尾不相連。

柏氏矢量（Burgers vector）的確定：

（1）首先選定位錯線的正向（ξ），例如，常規定出紙面的方向為位錯線的正方向。

（2）在理想晶體中，從任一原子出發，以一定的方向和步數作一右旋回路，此回路閉合。

（3）在實際晶體中，從任一原子出發，圍繞位錯（避開位錯線附近的嚴重畸變區）以同樣的方向和步數作相同的回路，該回路并不封閉，由終點向起點引一矢量b，使該回路閉合，這個矢量b就是實際晶體中位錯的柏氏矢量。

注意：刃型位錯滑移面為ξ與柏氏矢量所構成的平面，只有一個；螺型位錯滑移面不定，多個。

用柏氏矢量判斷位錯類型：

（1）刃型位錯ξ⊥b

右手法則：食指指向位錯線方向，中指指向柏氏矢量方向（位錯線運動的方向），拇指指向代表多余半面子面位向，向上為正，向下為負。

（2）螺型位錯ξ∥b

柏氏矢量與位錯線的方向：正向（方向相同）為右螺旋位錯，負向（方向相反）為左螺旋位錯。

柏氏矢量的特征：

（1）柏氏矢量是一個反映周圍點陣畸變總的物理量，柏氏矢量的方向表示位錯的性質與位錯的取向，即位錯運動導致晶體滑移的方向，柏氏矢量的模表示了畸變的程度，稱為位錯的強度。

（2）柏氏矢量與回路起點以及具體的途徑無關，回路確定的柏氏矢量是唯一的，柏氏矢量具有守恒性。

（3）一根不分叉的位錯線，不論其形狀如何改變，也不管位錯線上的各處的位錯類型是否相同，其各部分的柏氏矢量都相同，當位錯在晶體中運動或改變方向時，其柏氏矢量不變，即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。

（4）若一個柏氏矢量為b1的位錯可以分解為柏氏矢量分別為b1，b2，b3。。。的n個位錯，則分解后的各個位錯的柏氏矢量之和等于原位錯的柏氏矢量，即

若有數根位錯的柏氏矢量交于一點（位錯節點），指向節點的各個位錯線的柏氏矢量的和，等于離開節點各個位錯的柏氏矢量之和。

（5）位錯在晶體中存在的形態可形成一個閉合的位錯環，或連接于其他的位錯，或終止在晶界或露頭于晶體表面，但不能中斷于晶體內部。

柏氏矢量的表示法

柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶軸上的分量，即點陣矢量a，b和c來表示。例如柏氏矢量等于從體心立方晶系的原點到體心的矢量：

可以寫成

一般立方晶系的柏氏矢量可以表示為

其中n為正整數。

柏氏矢量滿足矢量加法，位錯反應中需要滿足幾何條件和能量條件：

特別重要的考點，請大家掌握。

位錯的運動

晶體宏觀的塑性變形是通過位錯運動來實現的。

原因：位錯運動是因它沿受力方向改變位置會使系統自由能減少，位錯實現運動要求它所受的力足以克服運動阻力。

類型：兩種---保守運動和非保守運動。

保守運動是位錯在滑移面上的滑動或滑移，滑動和滑移通常是同義的。但嚴格地說，“滑動”指單個位錯的行為而“滑移”指多個位錯的行為。

非保守運動是離開滑移面的運動，最本質的非保守運動是位錯的攀移，只有刃位錯才有攀移運動，并引起位錯的半原子面擴大和縮小，因此攀移總是伴隨著點缺陷的輸運。

位錯的滑移

包括：刃型位錯和螺型位錯的滑移。

可滑移面：位錯線與柏氏矢量構成的晶面稱為位錯的滑移面；

位錯的易滑移面：晶體的滑移面通常為晶體中原子的原子密排面，在密排面上，位錯的滑移容易進行（由于在密排面上原子間距最小，滑移的阻力最小），所以晶體的滑移面又叫位錯的易滑移面。

晶體的位錯線并不一定剛好在晶體的滑移面上。

位錯沿滑移面的運動稱為滑移運動，如圖1所示。位錯的滑移是在切應力的作用下進行的，只有當滑移面上的切應力分量達到一定值后位錯才能滑移。

當位錯掃過整個滑移面時，即位錯線運動移出晶體表面時，滑移面兩邊的晶體將產生一個柏氏矢量寬度（|b|）的位移。

圖1 刃型位錯的運動

（1）位錯滑移的機理

位錯在滑移時是通過位錯線或位錯附近的原子逐個移動很小的距離完成的。

（2）位錯的滑移特點

①刃位錯滑移方向與外力t及柏氏矢量b平行，正、負刃位錯滑移方向相反。

②螺位錯滑移方向與外力t及柏氏矢量b垂直，左、右螺型位錯滑移方向相反。

③混合位錯滑移方向與外力t及柏氏矢量b成一定角度（即沿位錯線法線方向滑移）。

④晶體的滑移方向與外力t及位錯的柏氏矢量b相一致，但并不一定與位錯的滑移方向相同。

位錯的攀移

位錯的攀移指在熱缺陷或外力作用下，位錯線在垂直其滑移面方向上的運動，結果導致晶體中空位或間隙質點的增殖或減少。刃位錯除了滑移外，還可進行攀移運動。

攀移的實質是多余半原子面的伸長或縮短。螺位錯沒有多余半原子面，故無攀移運動。

刃位錯攀移示意圖

位錯的攀移靠原子或空位的轉移實現。

正攀移：多余半個原子面向上運動。（原子從多余半原子面下端轉移到別處或空位從別處轉移到半原子面下端）

負攀移：多余半原子面向下運動。

攀移矢量大小等于滑移面的面間距。

位錯的攀移力（使位錯發生攀移運動的力）包括：

（1）化學攀移力Fs，是指不平衡空位濃度施加給位錯攀移的驅動力。

（2）彈性攀移力Fc，是指作用于半原子面上的應力分量作用下，刃位錯所受的力。

位錯攀移的激活能Uc由割階形成的激活能Uj及空位的擴散活化能Ud兩部分所組成。

常溫下位錯靠熱激活來攀移是很困難的。但是，在許多高溫過程如蠕變、回復、單晶拉制中，攀移卻起著重要作用。位錯攀移在低溫下是難以進行的，對于大多數材料而言，只有在較高溫度下才容易發生。

對于螺型位錯，當某一螺型位錯在原滑移面上運動受阻時，有可能從原滑移面轉移到與之相交的另一滑移面上去繼續滑移，這一過程稱為交滑移。

如果交滑移后的位錯再轉回和原滑移面平行的滑移面上繼續運動，則稱為雙交滑移。

運動位錯的交割

當位錯在滑移面上運動時，會與穿過滑移面的其他位錯發生交割。

分類：割階、扭折

割階：如形成的曲折線段垂直位錯的滑移面上；

扭折：如形成的曲折線段在位錯的滑移面上。

來源：材子考研


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