晶体缺陷的几何特征有哪些 晶体的位错是什么缺陷

在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何特征，可以将它们分为三类：

（1）点缺陷，其特征是在三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺帝，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。

（2）线缺陷，其特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错；

（3）面缺陷，其特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等都属于面缺陷。

在晶体中，这三类缺陷经常共存，它们相互联系，相互制约，在一定条件下还能互相转化，从而对晶体性能产生复杂的影响。

位错分类

位错是晶体原子排列的一种特殊组态。位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。当金属晶体受力发生塑性变形时，一般是通过滑移过程进行的，即晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑动，滑移的结果是在晶体表面上出现明显的滑移痕迹——滑移线。

从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。

01

刃型位错

刃型位错的结构如下图所示：

含有刃型位错的晶体结构

设含位错的晶体为简单立方晶体，在其晶面ABCD上半部存在多余的半排原子面EFGH，这个半原子面中断于ABCD面上的EF处，它好像一把刀刃插入晶体中，使ABCD面上下部分晶体之间产生了原子错排，故称为“刃型位错”，多余的半原子面与滑移面的交线EF就称作刃型位错线。

刃型位错结构的特点：

（1）刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“┻”，；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为“┰”。其实这种正、负之分只具有相对意义，而无本质的区别。

（2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量，如下图所示：

几种形状的刃型位错线

（3）滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。

（4）晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面的上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。

（5）在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。

 

02

螺型位错

螺型位错是另一种基本类型的位错，它的结构特点可用下图加以说明。

设立方晶体右侧受到切应力τ的作用，其右侧上下两部分晶体沿滑移面ABCD发生了错动，如图a所示：

这时已滑移区和未滑移区的边界线bb’（位错线）不是垂直，而是平行于滑移方向。

下图b是位错线bb'附近原子排列的顶视图。

以圆点“.”表示滑移面ABCD下方的原子，用圆圈“○”表示滑移面上方的原子。

可以看出，在aa’右边晶体的上下层原子相对错动了一个原子间距，而在bb’和aa’之间出现了一个约有几个原子间距宽的、上下层原子位置不相吻合的过渡区，这里原子的正常排列遭到破坏。

如果以位错线bb’为轴线，从a开始，按顺时针方向依次连接此过渡区的各原子，则其走向与一个右螺旋线的前进方向一样（见图c）。

这就是说，位错线附近的原子是按螺旋形排列的，所以把这种位错称为螺型位错。

螺型位错具有以下特征：

（1）螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的；

（2）根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺旋位错可分为右螺旋和左螺旋型位错；

（3）螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。

（4）纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行的；

（5）螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切应变而无正应变，则不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。

（6）螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。

 

03

混合位错

除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种其滑移矢量既不平行也不垂直位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。

下图是形成混合位错时晶体局部滑移的情况：

这里，混合位错线是一条曲线。

￭ 在A处，位错线与滑移矢量平行，因此是螺型位错；

￭ 而在C处，位错线与滑移矢量垂直，因此是刃型位错。

￭ A与C之间，位错线既不垂直也不平行于滑移矢量，每一小段位错线都可以分解为刃型和螺型两个分量。

混合位错附近的原子组态如下图所示：

注意：由于位错线是已滑移区和未滑移区的边界线。因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止与晶体内部，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。

晶体中的位错环

显然，位错环各处的位错结构类型可以按各处的位错线方向与滑移矢量的关系加以分析，如A,B处是刃型位错，C,D两处是螺型位错，其他各处均为混合位错。

位错的密度

除了精心制作的细小晶须外，在通常的晶体中都存在大量的位错。晶体中位错的量常用位错密度来表示。

位错密度定义为单位体积晶体中所含的位错线的总长度，其数学表达式为： 

式中，L为位错线的总长度，V是晶体的体积。

但是，在实际中，要测定个晶体中位错线的总长度是不可能的。为了简便起见，常把位错线当做直线，并且假定晶体的位错从晶体的一端平行地延伸到另一端，这样，位错密度就等于穿过单位面积的位错线数目，即

式中，l为每条位错线的长度，n为在面积A中所见到的位错数目。

显然，并不是所有位错线与观察面相交，故按此求得的位错密度将小于实际值。

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利用透射电镜拍摄、统计

位错密度注意事项

1、一般要倾转样品，在仅有一个强衍射束的双束条件下拍摄；

典型双束条件示意图

2、 要注意避开厚度变化大的区域，避免和减少等厚条纹的干扰；

3、 暗场像要选择在与明场像相对应的条件下进行，以利于进行对比。

编辑：黄飞