位错的移动和滑移变形

设一个刃型位错从晶体一侧移动了xi距离（见图2-10），则剪切变形量为（xi/L）b，晶体的平均切应变为

图2-10　刃型位错与滑移变形

式中：b为Burgers矢量的大小。

若位错总共有N个，则切应变为

分别定义位错的平均移动距离和位错密度（dislocation density，对其的具体定义和解释参见2.9节）如下：

式（2-7）即为由刃型位错引起的切应变的表达式。对螺型位错可以得到相似的结果。将式（2-7）对时间微分，得到

式中：是位错的平均移动速度。

位错移动的结果是使晶体产生整体变形。对单晶体进行拉伸试验发现，晶体会沿特定的面产生滑移。如图2-11所示，设外力F的作用面面积为A，则滑移面的面积为A/cosφ。沿滑移面作用的切应力τR称为分解切应力。根据几何关系以及切应力的定义，有

图2-11　分解切应力

式中：cosφcosλ称为Schmid因子，其值越大，相应的滑移系越容易被激活而产生滑移。

表2-1所示为各种金属临界分解切应力τRc的例子。添加少量杂质，τRc的值可大大提高，如表2-1中钛、银、铜的相关数值所示。临界分解切应力的大小取决于位错之间，以及位错与其他缺陷之间的相互作用。(www.xing528.com)

表2-1　单晶体的滑移系及相应的临界分解切应力［1］

晶体沿特定的面产生滑移，使得原先在晶体内部的面暴露于表面，即产生滑移面分离（glide plane decohesion）。晶体整体变形是滑移面分离的结果。滑移并不局限在一个滑移面上发生，可能的几种滑移形式如图2-12（a）～（d）所示，分别为单滑移、二重滑移、交滑移、波浪滑移。例如，螺型位错在原滑移面上运动受阻，则有可能转到与原滑移面相交的另一滑移面上继续运动，即产生交滑移。滑移区大多含有许多条滑移线，这些滑移线的集合称为滑移带。滑移的结果使得晶体的表面形成台阶（见图2-12（e））。滑移线可以是直线，也可以是波浪线。以上针对单晶体的讨论同样适用于多晶体。

图2-12　滑移形式

（a）单滑移；（b）二重滑移；（c）交滑移；（d）波浪滑移；（e）晶体表面形成的台阶

除了上面所述的滑移外，孪晶变形也可以引起金属的塑性变形。孪晶（twin）是指相互之间成镜像关系的晶体的两个部分，与镜面相当的界面称为孪晶面（twin plane）。孪晶变形如图2-13所示。

图2-13　孪晶变形示意图

晶格结构（见图2-13（a））在切应力τ作用下发生孪晶变形，如图2-13（b）所示，图中实线空心圆表示未发生位置移动的原子，虚线空心圆和实心圆分别表示变形前后的原子位置。在发生变形的区域，各个原子的位移与到孪晶面的距离成比例。在孪晶面的两边，原子排列成镜像关系。孪晶变形与滑移的不同之处有：孪晶变形使晶体中部分区域的晶格方位发生改变；变形的最小单位不是一个原子间距；孪晶区中各个原子都发生变形。与滑移相同的是，孪晶变形也是在特定的方向上发生的。当滑移比较困难（低温、高速，原子处在不易滑移的方位），形成孪晶所需应力小于滑移抵抗力时孪晶变形就可能发生。孪晶引起的变形一般较小，其作用和影响不在于变形本身，而在于改变晶格方位，激活不同的滑移系。密排六方金属的滑移系数目较少，因此，孪晶变形是其重要的变形机制。

刃型位错一般只在由位错线和Burgers矢量所确定的滑移面内运动。位错滑移是一种守恒运动，在特定条件（如高温环境）下，刃型位错也可能脱离滑移面，运动到相邻且与原滑移面平行的另一平面内，这种运动称为攀移（climb）。攀移是一种非保守运动，经高温淬火、冷加工变形或高能粒子辐照后，晶体中将产生大量的空位和间隙原子。这些过饱和点缺陷会促使位错攀移发生。

在位错的滑移运动过程中，其位错线的运动不一定是同步进行的。例如，当位错线的一部分遇到障碍受阻时，在原位错线上会形成局部曲折段。该曲折段位于滑移面内时，称为扭折（kink）；该曲折段垂直于滑移面时，称为割阶（jog）。图2-14（a）、（b）分别是刃型位错和螺型位错中形成的扭折和割阶的示意图。两运动位错相互发生交割时，也可以形成扭折和割阶［2］。

图2-14　位错运动中出现的扭折与割阶示意图

（a）刃型位错运动；（b）螺型位错运动

刃型位错线移动（滑移）不同步时，产生的扭折为螺型位错。刃型位错中的割阶为刃型位错。攀移会使刃型位错线上形成割阶，位错线的整体攀移是通过割阶沿位错线的逐步推移来实现的。螺型位错中的扭折和割阶部分均与滑移方向垂直，因此均为刃型位错。

扭折在原滑移面内，可随主位错线一道运动，几乎不产生阻力，而且在线张力作用下易于消失。割阶与原位错线不在同一滑移面上，除非产生攀移，否则割阶不能随主位错线一道运动，从而成为位错运动的障碍，这一现象称为割阶硬化。