位錯又可稱為差排（英語：dislocation），在材料科學中，指晶體材料的一種內部微觀缺陷，即原子的局部不規則排列（晶體學缺陷）。從幾何角度看，位錯屬於一種線缺陷，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，尤其是力學性能，具有極大的影響。“位錯”這一概念最早由義大利數學家和物理學家維托·伏爾特拉（VitoVolterra）於1905年提出。
基本介紹
- 中文名：半位錯
- 又可稱：差排
- 英語：：dislocation
- 形式：刃位錯螺位錯
位錯,基本信息,位錯的幾何概念,刃位錯,詳細簡介,螺旋位錯,混合位錯,位錯的觀測,間接觀測,位錯源,
位錯
位錯（英語：dislocation），在材料科學中，指晶體材料的一種內部微觀缺陷，即原子的局部不規則排列（晶體學缺陷）。從幾何角度看，位錯屬於一種線缺陷，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，尤其是力學性能，具有極大的影響。“位錯”這一概念最早由義大利數學家和物理學家維托·伏爾特拉於1905年提出。
理想位錯主要有兩種形式：刃位錯（edge dislocations）和螺旋位錯（screw dislocations）。混合位錯（mixed dislocations）兼有前面兩者的特徵。
圖1：一個刃位錯（b=伯格斯矢量）
數學上，位錯屬於一種拓撲缺陷，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，但自身的種類和特徵在移動中保持不變；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恆）。
基本信息
理想位錯主要有兩種形式：刃位錯（edgedislocations）和螺位錯（screwdislocations）。混合位錯（mixeddislocations）介乎前面兩者之間。
位錯的幾何概念
圖2：簡單立方（simple cubic）晶體原子排列和{100}晶面示意圖
刃位錯和螺位錯是主要的兩種位錯類型。然而實際晶體中存在的位錯往往是混合型位錯，即兼具刃型和螺型位錯的特徵。
晶體材料由規則排列的原子構成，一般把這些原子抽象成一個個體積可忽略的點，把它們排列成的有序微觀結構稱為空間點陣。逐層堆垛的原子構成一系列點陣平面的，稱為晶面（可以將晶體中原子的排列情況想像成把橙子規則地裝進箱子裡的樣子）。具體的排列情況如圖2所示。在無位錯的晶體（完整晶體）中，晶面（圖2中的紅色平行四邊形）以等間距規則地排列。
刃位錯
圖3：一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。
圖4：刃位錯附近的原子排列情況，沿平行於位錯線方向觀察
若一個晶面在晶體內部突然終止於某一條線處，則稱這種不規則排列為一個刃位錯。如圖3和圖4所示，刃位錯附近的原子面會發生朝位錯線方向的扭曲以致錯位。刃位錯可由兩個量唯一地確定：第一個是位錯線，即多餘半原子面終結的那一條直線；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於位錯線的方向。
其中 μ 為材料的剪下模量，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，在含有多餘半原子面的一側（
），材料承受壓應力（
）；在多餘半原子面“消失”的一側（
），材料承受拉應力（
）。
詳細簡介
一個刃位錯（b=伯格斯矢量）數學上，位錯屬於一種拓撲缺陷，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，但自身的種類和特徵在移動中保持不變；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”（即伯格斯矢量始刃位錯和螺位錯是主要的兩種位錯類型。然而實際晶體中存在的位錯往往是混合型位錯，即兼具刃型和螺型位錯的特徵。
晶體材料由規則排列的原子構成，一般把這些原子抽象成一個個體積可以忽略的點，把它們排列成的有序微觀結構則稱為空間點陣。逐層堆垛的原子構成一系列點陣平面的，稱為晶面（可以將晶體中原子的排列情況想像成把橙子規則地裝進箱子裡的樣子）。具體的排列情況如圖2所示。在無位錯的晶體（完整晶體）中，晶面（圖2中的紅色平行四邊形）以等間距規則地排列。
刃位錯附近的原子排列情況，沿平行於位錯線方向觀察若一個晶面在晶體內部突然終止於某一條線處，則稱這種不規則排列為一個刃位錯。如圖3和圖4所示，刃位錯附近的原子面會發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，即多餘半原子面終結的那一條直線；第二個是伯格斯矢量（Burgersvector，簡稱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於位錯線的方向。
利用彈性力學理論可求得刃位錯導致的應力場為：
其中μ為材料的剪下模量，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，在含有多餘半原子面的一側（y>0），材料承受壓應力（σxx<0）；在多餘半原子面“消失”的一側（y<0），材料承受拉應力（σxx>0）。
將規則排列的晶面想像成一疊間距固定的紙片，若將這疊紙片剪開（但不完全剪斷），然後將剪開的部分其中一側上移半層，另一側下移半層，形成一個類似於樓梯拐角處的排列結構，則此時在“剪開線”終結處（這裡已形成一條垂直紙面的位錯線）附近的原子面將發生畸變，這種原子不規則排列結構稱為一個螺位錯。
一個螺位錯附近的晶面排列情況可以看出，螺位錯的伯氏矢量平行於其位錯線方向。
儘管形象不甚直觀，但螺位錯的應力場卻遠比刃位錯的應力場容易求解。在一級近似下，螺位錯應力場只有一個剪應力分量不為零：
式中μ為材料的剪下模量，b為伯氏矢量，r為所在點的極坐標極軸分量。該應力解顯示，螺位錯附近的應力場呈軸對稱式分布，大小從內到外遞減。但需要注意的是在位錯核心區（r=0）處按上述解將得出應力無窮大，這是不符合實際情況的。因此上述應力表達式不適用於位錯核心的嚴重畸變區。
螺旋位錯
如圖5所示，將規則排列的晶面想像成一疊間距固定的紙片，若將這疊紙片剪開（但不完全剪斷），然後將剪開的部分其中一側上移半層，另一側下移半層，形成一個類似於樓梯拐角處的排列結構，則此時在“剪開線”終結處（這裡已形成一條垂直紙面的位錯線）附近的原子面將發生畸變，這種原子不規則排列結構稱為一個螺旋位錯。
圖5：一個螺旋位錯附近的晶面排列情況
可以看出，螺旋位錯的伯氏矢量平行於其位錯線方向。
儘管形象不甚直觀，但螺旋位錯的應力場卻遠比刃位錯的應力場容易求解。在一級近似下，螺旋位錯應力場只有一個剪應力分量不為零：
式中 μ 為材料的剪下模量，b 為伯氏矢量，r 為所在點的極坐標極軸分量。 該應力解顯示，螺旋位錯附近的應力場呈軸對稱式分布，大小從內到外遞減。但需要注意的是在位錯核心區（r=0）處按上述解將得出應力無窮大，這是不符合實際情況的。因此上述應力表達式不適用於位錯核心的嚴重畸變區。
混合位錯
如前所述，刃位錯的伯氏矢量垂直於位錯線的方向，螺位錯的伯氏矢量平行於其位錯線方向。但實際材料中位錯的伯氏矢量往往既非平行又非垂直於位錯線方向，這些位錯兼具了刃位錯和螺旋位錯的特徵，稱為混合位錯。
位錯的觀測
間接觀測
若材料中的位錯線與材料表面相交（俗稱位錯“露頭”），則交點處附近由於位錯應力場的存在，其化學穩定性將低於表面的其它部分。若用酸性腐蝕劑（如氫氟酸和硝酸的混合溶液）對這樣的表面進行腐蝕，則位錯“露頭”處的腐蝕速度將遠高於其它部分，可形成一個“腐蝕坑”。再利用一些表面顯微觀察技術（如掃描電子顯微鏡、干涉顯微鏡等等）便可以觀察到位錯的“露頭”位置。圖6中展示了在干涉顯微鏡下，經上述方法製備得到矽片表面位錯腐蝕坑的形態，根據腐蝕坑邊緣的形狀可以確定矽片的晶體學取向——橢圓形代表矽片表面為(100)晶面，三角形代表矽片表面為(111)晶面。
若施加外力令材料發生一系列微小變形，則每次變形後某一特定位錯都將處於不同的位置。如果每次變形後都對材料表面進行腐蝕，則同一位錯形成的一系列腐蝕坑將粗略地顯示出位錯運動的軌跡。
位錯源
材料中的位錯密度會隨著塑性形變的進行而增加，其數量大致滿足關係：
，其中{\displaystyle \tau }為塑性流動應力，
為位錯密度。由這一關係可以推測，材料內部必然存在著位錯的起源與增殖的機制，這些機制在外加應力的作用下將被激活，以提供增加的位錯數。
人們已發現材料中存在以下三種位錯的起源（成核）機制：均勻成核、晶界成核和界面成核，其中最後一種包括各種沉澱相、分散相或增強纖維等等。
