关于位错介绍

[拼音]：weicuo

[外文]：dislocation

晶体内部的一种具有特征结构的线缺陷。晶体的范性形变就是位错运动的结果。

位错理论有两个不同的来源：一是连续介质d性力学为处理内应力问题而引入的，在20世纪初，通过V.沃耳泰拉等人的工作而规模初具；另一来源是由于金属单晶的实际强度只有根据完整晶体估计的理论强度的千分之一，为探讨晶体在低应力下范性形变的微观机制而引入的。开始于20年代后期，通过U.德林格尔、M.波拉尼与E.奥罗万等人的工作，逐步明确了晶体内部可能存在一种在切应力作用下易于运动从而使相邻原子面相对滑动的位错组态；到1934年G.I.泰勒与1939年Ｊ.Μ.伯格斯的汇流，奠定了晶体位错理论的基础。50年代中发展了一系列直接观察位错的实验方法，确证晶体中存在位错，并以大量的第一手的实验资料，证实了位错理论的基本论点和许多细节，为进一步发展位错理论打下巩固的基础（见晶体缺陷的直接观察）。

通常的d性力学只处理外加力作用下物体的行为。但实际上即使完全撤去外力，物体内部还可以有内应力存在。为了说明连续介质中存在内应力，必然引导到位错的概念。沃耳泰拉设想如下的 *** 作：将介质沿一任意面S剖开，施加外力于S面的两侧，使之产生刚性的相对位移。如果相对位移的 *** 作造成空隙，则用同样介质填补起来；如果介质重叠起来了，则将重叠部分挖去。然后将割面重新胶合起来，撤去外力。这样一来，物体内部就有内应力存在。这里的相对位移可以是平移或旋转。沃耳泰拉曾经设想了六类基本组态，如图1所示。1927年A.E.H.乐甫统称之为位错。位错引起的应力场连续地穿过胶合的割面处，因而割面在d性场中不留下任何痕迹。割面的周界就是位错线。在位错线周围的长程应力场可根据经典d性力学方法来求解。应力的值和到位错线的距离r成反比。外推到r→0，应力将趋于无限大。这样，位错线构成d性场中的奇线（图1中将奇线附近全部挖空）。后来习用的位错这一名词通常只指相对位移为平移的组态，即图1中的a、b、c。位错所对应的平移矢量被称为伯格斯矢量b，它是确定位错特征的一个重要参量，位错应力场的大小与其数值b成正比，而位错的能量则与b2成正比。若b与位错线垂直(图1中的b、c)，这样的位错称为刃型位错；若b与位错线平行(图1中的d)，则称为螺型位错；若既不平行，又不垂直，则为混合位错。至于相对位移为旋转的组态（图1中的e、f、g），后来改称为旋错，以区别于通常所述的位错。

从连续介质过渡到晶体，沃耳泰拉所设想的形成位错的 *** 作依然可以进行。由于晶体中原子排列是周期性的，要避免在割面上引起原子错排，位错的b应正好等于点阵平移矢量。这就是全位错。图2b画出了简单立方结构晶体中刃型位错的原子组态，可看出，刃型位错对应于原子平面中断处的边沿；图2c画出了螺型位错的原子组态。可看出，接近于和位错线垂直的原子面是螺卷面，绕位错线一圈上升一个原子间距，位错线附近的原子组态的确切情况取决于原子间交互作用能最小的条件，应采用适当的点阵模型来处理；至于其长程应力场，则可套用连续介质d性力学的计算结果。如果晶体中存在低能量的错排面，例如密堆积结构中的堆垛层错或有序合金的反相畴界（见面缺陷），就可能出现不全位错，其b矢量不等于（通常是小于）点阵平移矢量。这种位错必然和相应的低能错排面联系在一起。例如面心立方金属中全位错可以转化为两不全位错夹住一片层错的组态，这被称为扩展位错。

至于全旋错，在通常晶体中几乎不出现。这是不难理解的，因割面不留痕迹的要求，旋转角需对应于晶体所容许的旋转对称 *** 作，例如π/3、π/2、π、2π。这会造成过大的畸变以致难于实现。只有在液晶等介质中，可通过流动来弛豫畸变，全旋错方始成为一种常见的缺陷。当然对应于甚小旋转角的不全旋错可能存在于晶体之中。中断在晶体内部的小角度晶界就是一个例子。

位错线元矢量和伯格斯矢量所确定的面为滑移面。位错沿滑移面的运动，称为滑移。位错作滑移时，只需中心区域原子位置作少量调整，不引起体积变化，因而是较易实现的。这样，由于晶体中存在位错，会使产生范性形变所需的临界切应力大幅度地低于完整晶体。刃型位错（或混合位错）除滑移外，还可以垂直于滑移面运动，即攀移。攀移相当于半原子面的伸长或收缩，通常牵涉到原子的扩散，只有在较高温度下才能实现。

一个很重要的问题是原先没有位错的晶体中位错是如何形成的。具体分析起来可归结为将沃耳泰拉 *** 作过程（或其变型）予以现实化：例如在集中切应力作用下，局域产生滑移，形成滑移位错圈；又如过饱和空位聚集成饼，再崩塌而形成棱柱位错圈。一旦晶体中已经有了位错以后，又可以通过适当的增殖机制，源源不断地发出位错圈。例如，在足够大的切应力作用下，从一段两端固定的位错线段，可以反复吐出大量的位错圈。这就是夫兰克－里德源。

位错与位错之间存在相互作用；位错与点缺陷、溶质原子及第二相粒子也存在相互作用。这些相互作用构成了加工硬化、合金强化和沉淀强化的物理基础（见晶体的范性）。

除了范性和强度以外，位错还对于一系列的其他物理性能产生影响：例如半导体的电子性质，磁性材料的磁滞回线及第二类超导体的临界电流等，这些问题正被人们所注意研究。

参考书目

1. 冯端、王业宁、丘第荣编著：《金属物理》，上册，科学出版社，北京，1964。
2. F.R.N.Nabarro， Theory of Crystal Dislocations，Clarenden Press， Oxford， 1967.
3. J.P.Hirth and J.Lothe， Theory of Dislocations，McGrawHill，New York，1968.

参考文章

• 位错Dislocation地球科学