刃位錯：一個(gè)刃位錯附近的晶面排列情況，圖中黑線(xiàn)代表伯格斯矢量方向，藍線(xiàn)為位錯線(xiàn)。刃位錯附近的原子排列情況，沿平行于位錯線(xiàn)方向觀(guān)察若一個(gè)晶面在晶體內部突然終止于某一條線(xiàn)處，則稱(chēng)這種不規則排列為一個(gè)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(shí)間

1905年

唯一確定的量

位錯線(xiàn)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(huì )發(fā)生朝位錯線(xiàn)方向的扭曲。刃位錯可由兩個(gè)量唯一地確定：第一個(gè)是位錯線(xiàn)，即多余半原子面終結的那一條直線(xiàn)；第二個(gè)是伯格斯矢量（Burgers vector，簡(jiǎn)稱(chēng)伯氏矢量或柏氏矢量），它描述了位錯導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(xiàn)的方向。

利用彈性力學(xué)理論可求得刃位錯導致的應力場(chǎng)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 為直角坐標分量。從上述解中可以看出，在含有多余半原子面的一側（y > 0），材料承受壓應力（σxx < 0）；在多余半原子面“消失”的一側（y < 0），材料承受拉應力（σxx > 0）。

概念

刃位錯具體體現

位錯又可稱(chēng)為差排（英語(yǔ)：dislocation），在材料科學(xué)中，指晶體材料的一種內部微觀(guān)缺陷，即原子的局部不規則排列（晶體學(xué)缺陷）。從幾何角度看，位錯屬于一種線(xiàn)缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線(xiàn)，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。“位錯”這一概念最早由意大利數學(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）。混合位錯（mixed dislocations）介乎前面兩者之間。

一個(gè)刃位錯（b = 伯格斯矢量）數學(xué)上，位錯屬于一種拓撲缺陷，有時(shí)稱(chēng)為“孤立子”或“孤子”。這一理論可以解釋實(shí)際晶體中位錯的行為：可以在晶體中移動(dòng)位置，但自身的種類(lèi)和特征在移動(dòng)中保持不變；方向（伯格斯矢量）相反的兩個(gè)位錯移動(dòng)到同一點(diǎn)，則會(huì )雙雙消失，或稱(chēng)“湮滅”，若沒(méi)有與其他位錯發(fā)生作用或移到晶體表面，那么任何單個(gè)位錯都不會(huì )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(jiàn)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(shí)驗研究成果。

晶體在結晶時(shí)受到雜質(zhì)﹑溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應力作用，或由于晶體受到打擊﹑切削﹑研磨等機械應力的作用，使晶體內部質(zhì)點(diǎn)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(chēng)位錯。位錯是原子的一種特殊組態(tài)，是一種具有特殊結構的晶格缺陷，因為它在一個(gè)方向上尺寸較長(cháng)，所以被稱(chēng)為線(xiàn)狀缺陷。位錯的假說(shuō)是在30年代為了解釋金屬的塑性變形而提出來(lái)的，50年代得到證實(shí)。位錯的存在對晶體的生長(cháng)、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，了解位錯的結構及性質(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)和燒結機理，也是不可缺少的。

分類(lèi)

刃位錯的表現

從位錯的幾何結構來(lái)看，可將它們分為兩種基本類(lèi)型：即刃型錯和螺型錯。二者都屬于線(xiàn)缺陷。

刃型位錯設有一簡(jiǎn)單立方結構的晶體，在切應力 的作用下發(fā)生局部滑移，發(fā)生局部滑移后晶體內在垂直方向出現了一個(gè)多余的半原子面，顯然在晶格內產(chǎn)生了缺陷，這就是位錯，這種位錯在晶體中有一個(gè)刀刃狀的多余半原子面，所以稱(chēng)為刃型位錯。位錯線(xiàn)的上部鄰近范圍受到壓應力，而下部鄰近范圍受到拉應力，離位錯線(xiàn)較遠處原子排列正常。通常稱(chēng)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。當然這種規定都是相對的。

特點(diǎn)

刃位錯特點(diǎn)

刃位錯的表現

1).刃型位錯有一個(gè)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(chēng)為正刃型位錯，記為“┻”；而把多出在下邊的稱(chēng)為負刃型位錯，記為“┳”。其實(shí)這種正、負之分只具相對意義而無(wú)本質(zhì)的區別。

2).刃型位錯線(xiàn)可理解為晶體中已滑移區與未滑移區的邊界線(xiàn)。它不一定是直線(xiàn)，也可以是折線(xiàn)或曲線(xiàn)，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(shí)包含有位錯線(xiàn)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(xiàn)與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構成的平面只有一個(gè)。

4).晶體中存在刃型位錯之后，位錯周?chē)狞c(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應變，又有正應變。就正刃型位錯而言，滑移面上方點(diǎn)陣受到壓應力，下方點(diǎn)陣受到拉應力：負刃型位錯與此相反。

5).在位錯線(xiàn)周?chē)倪^(guò)渡區（畸變區）每個(gè)原子具有較大的平均能量。但該區只有幾個(gè)原子間距寬，畸變區是狹長(cháng)的管道，所以刃型位錯是線(xiàn)缺陷。

關(guān)聯(lián)

刃位錯與螺位錯存在著(zhù)很多區別，它們主要的不同點(diǎn)是：

（1）刃型位錯具有一個(gè)額外的半原子面，而螺型位錯無(wú)；

刃位錯特點(diǎn)

（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(xiàn)與滑移矢量平行，且位錯線(xiàn)的移動(dòng)方向與晶體滑移方向互相垂直。

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

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

（5）刃位錯周?chē)狞c(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有切應變，又有正應變，螺位錯只有切應變而無(wú)正應變

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(xiàn)的平面內滑移。螺位錯的伯氏矢量平行于位錯線(xiàn)，因此它可以在位錯線(xiàn)所在的任何平面內滑移。而刃位錯的伯氏矢量垂直于位錯線(xiàn)，所以它只有一個(gè)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(dòng)方式，這就是攀移，即構成刃位錯的多余半原子面的伸長(cháng)或縮短。

攀移的驅動(dòng)力來(lái)自于晶格中空位的運動(dòng)。如圖9所示，若一個(gè)空位移到了刃位錯滑移面上與位錯線(xiàn)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(dòng)一個(gè)原子間距，這一刃位錯“吸收”空位的過(guò)程稱(chēng)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(dòng)一個(gè)原子間距，則稱(chēng)為負攀移。

由于正攀移導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力會(huì )促使正攀移的發(fā)生，反之拉應力則會(huì )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，因為滑移是由剪應力而非正應力促成的。

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。