【干货】位错的柏氏矢量及位错运动
位错的柏氏矢量
01
柏氏回路及柏氏矢量
柏氏矢量是位错的单位滑移距离，由柏氏回路决定的。
柏氏回路：从理想晶体某一点出发，按基本平移矢量方向走，最后又回到原出发点，这种回路叫柏氏回路。若回路中无位错，则首尾相连，否则首尾不相连。
02
柏氏矢量（Burgers vector）的确定：
（1）首先选定位错线的正向（ξ），例如，常规定出纸面的方向为位错线的正方向。
（2）在理想晶体中，从任一原子出发，以一定的方向和步数作一右旋回路，此回路闭合。
（3）在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点向起点引一矢量b，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。
注意：刃型位错滑移面为ξ与柏氏矢量所构成的平面，只有一个；螺型位错滑移面不定，多个。
用柏氏矢量判断位错类型：
（1）刃型位错ξ⊥b
右手法则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量方向（位错线运动的方向），拇指指向代表多余半面子面位向，向上为正，向下为负。
（2）螺型位错ξ∥b
柏氏矢量与位错线的方向：正向（方向相同）为右螺旋位错，负向（方向相反）为左螺旋位错。
03
柏氏矢量的特征：
（1）柏氏矢量是一个反映周围点阵畸变总的物理量，柏氏矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致晶体滑移的方向，柏氏矢量的模表示了畸变的程度，称为位错的强度。
（2）柏氏矢量与回路起点以及具体的途径无关，回路确定的柏氏矢量是唯一的，柏氏矢量具有守恒性。
（3）一根不分叉的位错线，不论其形状如何改变，也不管位错线上的各处的位错类型是否相同，其各部分的柏氏矢量都相同，当位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
（4）若一个柏氏矢量为b1的位错可以分解为柏氏矢量分别为b1，b2，b3。。。的n个位错，则分解后的各个位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量，即
若有数根位错的柏氏矢量交于一点（位错节点），指向节点的各个位错线的柏氏矢量的和，等于离开节点各个位错的柏氏矢量之和。
（5）位错在晶体中存在的形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他的位错，或终止在晶界或露头于晶体表面，但不能中断于晶体内部。
04
柏氏矢量的表示法
柏氏矢量的大小和方向可以用它在晶轴上的分量，即点阵矢量a，b和c来表示。例如柏氏矢量等于从体心立方晶系的原点到体心的矢量：
可以写成
一般立方晶系的柏氏矢量可以表示为
其中n为正整数。
柏氏矢量满足矢量加法，位错反应中需要满足几何条件和能量条件：
特别重要的考点，请大家掌握。
位错的运动
晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。
原因：位错运动是因它沿受力方向改变位置会使系统自由能减少，位错实现运动要求它所受的力足以克服运动阻力。
类型：两种---保守运动和非保守运动。
保守运动是位错在滑移面上的滑动或滑移，滑动和滑移通常是同义的。但严格地说，“滑动”指单个位错的行为而“滑移”指多个位错的行为。
非保守运动是离开滑移面的运动，最本质的非保守运动是位错的攀移，只有刃位错才有攀移运动，并引起位错的半原子面扩大和缩小，因此攀移总是伴随着点缺陷的输运。
01
位错的滑移
包括：刃型位错和螺型位错的滑移。
可滑移面：位错线与柏氏矢量构成的晶面称为位错的滑移面；
位错的易滑移面：晶体的滑移面通常为晶体中原子的原子密排面，在密排面上，位错的滑移容易进行（由于在密排面上原子间距最小，滑移的阻力最小），所以晶体的滑移面又叫位错的易滑移面。
晶体的位错线并不一定刚好在晶体的滑移面上。
位错沿滑移面的运动称为滑移运动，如图1所示。位错的滑移是在切应力的作用下进行的，只有当滑移面上的切应力分量达到一定值后位错才能滑移。
当位错扫过整个滑移面时，即位错线运动移出晶体表面时，滑移面两边的晶体将产生一个柏氏矢量宽度（|b|）的位移。
图1 刃型位错的运动
（1）位错滑移的机理
位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的。
（2）位错的滑移特点
①刃位错滑移方向与外力t及柏氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。
②螺位错滑移方向与外力t及柏氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。
③混合位错滑移方向与外力t及柏氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。
④晶体的滑移方向与外力t及位错的柏氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
02
位错的攀移
位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。刃位错除了滑移外，还可进行攀移运动。
攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。
刃位错攀移示意图
位错的攀移靠原子或空位的转移实现。
正攀移：多余半个原子面向上运动。（原子从多余半原子面下端转移到别处或空位从别处转移到半原子面下端）
负攀移：多余半原子面向下运动。
攀移矢量大小等于滑移面的面间距。
位错的攀移力（使位错发生攀移运动的力）包括：
（1）化学攀移力Fs，是指不平衡空位浓度施加给位错攀移的驱动力。
（2）弹性攀移力Fc，是指作用于半原子面上的应力分量作用下，刃位错所受的力。
位错攀移的激活能Uc由割阶形成的激活能Uj及空位的扩散活化能Ud两部分所组成。
常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是，在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。位错攀移在低温下是难以进行的，对于大多数材料而言，只有在较高温度下才容易发生。
对于螺型位错，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。
如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。
03
运动位错的交割
当位错在滑移面上运动时，会与穿过滑移面的其他位错发生交割。
分类：割阶、扭折
割阶：如形成的曲折线段垂直位错的滑移面上；
扭折：如形成的曲折线段在位错的滑移面上。
思考题
在晶体中插入附加的柱状半原子面能否形成位错环？为什么？
上期答案
Q：位错线有方向吗？
位错线的方向是人为规定的，一般认为垂直于纸面向外为位错线的正方向，或者位错线AB则由A指向B即为位错线正方向，但是在实际处理的时候，要综合位错类型，伯氏矢量的方向，对于刃位错还需要结合右手定则，灵活判断。
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