第三章 位錯理論

第三章礦物(kuàngwù)晶體缺陷和位錯共六十二頁共六十二頁Evidenceofsolid-statedeformation,withoutmuchstrainaccumulation(suchaselongationofgrainsorrecrystallizedaggregates)ingranodiorite,Ardarapluton,NWIreland.Quartzshowsunduloseextinctionandmarginalrecrystallization,andK-feldsparshowsmicroclinetwinningandmarginalreplacementbymyrmekite.Crossedpolars;baseofphoto4.4mm.共六十二頁Strongkinkinginbiotiteandquartz,indicatingsolid-statedeformation,thoughmuchoftheigneousmicrostructureremains,intheformofeuhedralplagioclaselaths.HillgroveAdamellite,NewEnglandBatholith,NewSouthWales,Australia.Crossedpolars;baseofphoto1.75mm.共六十二頁(a)ThinK-feldsparband(withKfs1porphyroclastsembeddedintailsoffinerecrysallizedKfs2grains)surroundedbylargerelongateQtz2,1grainswithmantlesoffinepolygonalQtz2,2,XZsurface(mmS80).Fig.4.SEMsecondaryelectronimagesofbrokensurfacesofdryMontMaryquartz-feldsparmylonites.共六十二頁(b)IrregularQtz2,1surroundedbyfine,equigranularQtz2,2,XZsurface(mmS80).共六十二頁(c)EnlargementofthetransitionfromQtz2,1toQtz2,2grainsasseenin(b).Notethepolygonalform,thefinegrainsize(2–3mm),andthetypicalpore-freegrainboundaries,XZurface(mmS80).(d)TransitionfromQtz2,1toQtz2,2newgrains.Noteagainthegenerallackofporosityonthenewgrainboundaries,XZsurface(mmS88).共六十二頁(e)TypicalfoamstructureofrecrystallizedquartzgrainsdevelopedinmmS90(seeFig.1e).Notethelowoverallporosityonmostgrainboundaries,XYsurface.(f)EnlargementofthetypicalfoamstructureofmmS90,showingtheequilibriumgrainshapesandgenerallytightstructurewithoutpervasiveporosity.Theporositydistributionis,however,heterogeneous—althoughmostgrainboundariesarealmostpore-free,localpocketsexistwheregrainboundariesarecoveredinscatteredfinepores,e.g.inthecentre-rightofthephotograph(seealsoFig.6aandb),XYsurface.共六十二頁(g)Recrystallizedquartzandfiner-grainedKfeldspar,showingthemarkeddifferenceingrainsizebutotherwisesimilargrainmicrostructure,XYsurface(mmS90c).(h)EnlargementoftheK-feldspardomainin(g),showingthesimilarpolygonalgrainshapeasforquartzandthegenerallytight,pore-freegrainboundaries,withonlylocaldevelopmentofisolatedporesontwo-grainboundaries,XYsurface(mmS90c).共六十二頁金屬物理學家、在研究金屬變形時發(fā)現(xiàn)晶體缺陷與金屬的變形行為和力學性質(xìngzhì)有密切關系，后來材料科學家發(fā)現(xiàn)這類缺陷不僅控制材料的力學性質(xìngzhì)，而且對材料物理性質(xìngzhì)有直接影響。人們發(fā)現(xiàn)一些晶體的實際強度要比理論強度小的多，其原因是由晶體缺陷引起的，為此Taylor(1934)提出位錯理論，后來的實驗證明了位錯理論。1964年Christie等首次將位錯理論引入礦物變形領域，地質學家開始應用晶體缺陷理論來研究巖石和礦物的變形特征、動力學機制和環(huán)境條件。晶體缺陷影響晶體塑性變形。共六十二頁一、晶體缺陷及其分類(fēnlèi)1.晶體缺陷（imperfectionsinthestructureofacrystal）

理想晶體格架內(nèi)結點上的質點以一定規(guī)律周期性排列，如果結點上質點的周期性遭到破壞，這就是(jiùshì)晶體缺陷。它們可以在晶體生長過程中出現(xiàn)，也可以在變形過程中出現(xiàn)。晶體缺陷按其在晶體中的幾何分類，可以分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。共六十二頁(1).點缺陷晶格內(nèi)某一結點上原子排列的周期性的破壞或中斷，叫點缺陷（0-Dknownaspointdefects）有：A空位；B.間隙原子；替換原子A空位，結點上原子缺失(quēshī)；形成負壓中心，晶格畸變。空位擴大形成大約十幾個原子大小的非晶質區(qū)，稱為松弛群共六十二頁Schottky空位(kōnɡwèi)Frank空位(kōnɡwèi)，它與間隙原子數(shù)相同晶體在變形過程中形成(xíngchéng)的兩種不同類型的空位共六十二頁B.間隙原子在晶格結構中非結點位置出現(xiàn)的原子和其它雜質(zázhì)，稱為間隙原子，有自間隙原子（self-interstitials）和間隙雜質（interstitialimpurities）兩類。自間隙原子與周圍原子一樣，屬于錯排原子。間隙雜質其半徑可以比周圍原子半徑大或小都使晶格發(fā)生畸變。共六十二頁C.替換原子晶格結點(jiédiǎn)上出現(xiàn)了外來的原子，替換原來的原子。(Substitutionalimpurities)共六十二頁(2).線狀缺陷(quēxiàn)（Lineardefects）是指晶格內(nèi)質點排列周期性被破壞成一條線，也稱為位錯，是晶體中最為常見的缺陷，位錯及其運動在巖石和礦物塑性流動過程中起著重要作用。(3).面狀缺陷(Planardefects)是指晶格內(nèi)質點排列周期被破壞成一個面，也稱為二維缺陷。如晶體表面、晶體顆粒邊界、亞晶粒邊界、雙晶面、不同相的界面。共六十二頁A.晶體表面（grainsurfaces)晶體表面的幾個原子層，其結構與性質與晶體內(nèi)部不同，它們受到質點間的作用力是不對稱的，具有表面能。B.晶粒間界（grainboundaries)光性方位不同的相鄰晶?；騺喚Яｉg的界面稱為(chēnɡwéi)晶粒間界。按相鄰顆粒位向差的大小可將晶粒間界分為大角度晶界和小角度晶界。大于12℃為大角度晶界，小于12℃為小角度晶界，也稱為亞晶界共六十二頁大角度(jiǎodù)晶界共六十二頁共六十二頁小角度(jiǎodù)晶界共六十二頁共六十二頁共六十二頁共六十二頁a晶間質點(zhìdiǎn)為過度型電陣結構；b雙晶晶界；c密集位錯構成的晶界。共六十二頁C.堆垛層錯是晶體中原子或離子(lízǐ)的堆垛次序被破壞而形成的面缺陷。內(nèi)存(nèicún)堆垛層錯外賦堆垛層錯(4).體缺陷包括晶體中的氣孔、各種包裹體和沉淀物共六十二頁二、位錯及其運動(yùndòng)共六十二頁共六十二頁共六十二頁1.位錯的含義及類型：位錯是一種線狀缺陷。位錯可以(kěyǐ)分為四種：刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯和位錯環(huán)。共六十二頁a.刃型位錯：位錯線垂直(chuízhí)剪切運動方向。具有附加半原子平面共六十二頁共六十二頁b.螺型位錯:位錯線平行于剪切方向，但是(dànshì)由垂直于剪切方向的位移來實現(xiàn)的。沒有附加半原子平面。共六十二頁共六十二頁c.混合型位錯：兼有刃性位錯和螺型位錯的特點(tèdiǎn)，稱為混合位錯共六十二頁d.位錯環(huán)：閉合(bìhé)于晶體內(nèi)部的環(huán)型位錯，其任何一部分都可以進一步分解為刃性位錯、螺型位錯或混合型位錯共六十二頁2.布格矢量(shǐliàng)位錯的形成與晶格的滑動密切相關.滑動包括了滑動方向(fāngxiàng)和距離兩個要素,滑動方向(fāngxiàng)和距離統(tǒng)稱為滑動矢量,即布格(Burgers)矢量,一般用b來表示.布格矢量是由柏格斯回路引出來的,柏格斯回路就是在含位錯的晶體中,以完好晶區(qū)內(nèi)取一原子作為起點,繞位錯線作一閉合的回路,每一步都連接著相鄰的等同原子.理想晶體與含位錯晶體結構上的閉合差即為布格矢量.共六十二頁理想(lǐxiǎng)晶體含有(hányǒu)位錯晶體共六十二頁刃型位錯的布格矢量與位錯線垂直.刃型位錯分可分為(fēnwéi)正、負刃型位錯。布格矢量順時針為正,反之為負.正刃性位錯負刃性位錯共六十二頁螺型位錯的布格矢量與位錯線方向平行(píngxíng),可以分為左型和右型.a-右螺型位錯b-左螺型位錯共六十二頁3.位錯的一些基本(jīběn)性質（1）位錯是一種線狀缺陷,可以是直線,也可以是曲線.（2）一個位錯只有一個唯一的柏格斯矢,且不會為零.（3）布格矢量(shǐliàng)是貫穿整個晶體的滑移矢量(shǐliàng),所以位錯線不能終止于晶體內(nèi)部,或出露晶體表面,或連接于另一個位錯線,也可以自行封閉形成位錯環(huán).(4)當位錯線交叉時，即數(shù)個位錯線交匯于一點時，則指向位錯交叉點的布格斯矢量之和等于背向交叉點的布格斯矢量之和（5）位錯線附近原子能量大,不穩(wěn)定,易于被雜質原子所取代或侵蝕,這就是采用化學侵蝕法和氧化綴飾法來觀察位錯的基礎.共六十二頁共六十二頁共六十二頁第三章礦物(kuàngwù)晶體缺陷和位錯(2)共六十二頁4.位錯運動(yùndòng)與增殖位錯運動造成了巖石和礦物塑性變形，而位錯運動實質是上就是原子運動，只涉及(shèjí)位錯周圍原子，所以位錯運動所需要的臨界值比理想的晶體要小的多。與巖石和礦物變形有關的位錯運動主要有以下主要幾種類型：共六十二頁刃性位錯滑移(huáyí)：滑動方向與b平行螺型位錯滑：移滑動方向與b垂直，由于位錯線與b平行，沒有(méiyǒu)固定滑移面混合型位錯滑移：滑動方向與b成一斜交角度A位錯滑動

是指位錯沿滑移面的運動，在沒有干擾的情況下，各類位錯均可最終移出晶界，形成臺階.

所有的位錯線的滑動方向均與位錯垂直。共六十二頁正、負刃性位錯在同一滑移面上向遇，相互(xiānghù)抵消，導致位錯消失（a）.位錯運動可以導致(dǎozhì)位錯消失共六十二頁正、負刃性位錯在相隔滑移面上(miànshànɡ)向遇，形成空位（b）.位錯運動(yùndòng)可以形成空位共六十二頁（c）.位錯運動可以位錯塞積當位錯滑動時遇到障礙(zhàngài)時,如粒內(nèi)晶界,氣泡,雜質等,運動受阻,產(chǎn)生位錯塞積或位錯纏結.符號相反的兩個刃型位錯在滑動過程中相遇時,會相互抵消,導致位錯消失.共六十二頁B刃型位錯攀移

刃型位錯除了可以沿滑動面發(fā)生滑動外,還可以垂直于滑動面發(fā)生位移(沿額外半原子面),其過程就是額外半原子面的擴大或縮小.因為攀移與空位或原子擴散有關,比滑動需要更大的能量,其發(fā)生的條件是(1)要有一定數(shù)量的空位存在(cúnzài);(2)有足夠高的溫度>0.3Tm.a-空位向相鄰原子遷移；b-空位向位錯方向(fāngxiàng)遷移；c-空位擴散到位錯核部，使附加半原子平面上升，位錯向上攀移共六十二頁C螺型位錯交叉滑移

螺型位錯在某一滑動面滑動遇到障礙時,可以交叉跨越到另一滑動面的過程..螺形位錯沒有固定滑移面，所有(suǒyǒu)包含位錯或與b平行的晶面都可以成為滑移面共六十二頁D位錯交割

位錯在運動過程中如果遇到位錯阻礙時,如果應力足夠大,運動位錯就會克服這種障礙繼續(xù)滑移,就產(chǎn)生了位錯交割現(xiàn)象,交割的結果是在原來的線上留下(liúxià)一條一個原子間距大小的曲折線段,即可以與滑移面垂直,也可以在滑移面上,前者稱為割階,后者是扭折.交割形成的割階對位錯起著阻礙作用,促使晶體硬化.共六十二頁E.位錯的增殖在應力作用下位錯逐漸滑移直到晶體表面，從而產(chǎn)生(chǎnshēng)宏觀變形。在這一過程中不是減少，而是不斷增加。Frank-Read的雙軸位錯增殖機制。在與位錯AB的b方向(fāngxiàng)相同的剪切應力作用下發(fā)生彎曲位錯線向外擴展ABCD共六十二頁三、位錯亞構造(gòuzào)位錯運動導致了位錯亞構造的形成，不同變形環(huán)境、不同變形機制形成了不同的位錯亞構造。1.自由位錯晶體中單個離散(lísàn)的位錯，稱為自由位錯，也叫做非邊界位錯。自由位錯的密度是一個重要參數(shù)：ρ=l/v單位體積內(nèi)所含的位錯長度，也與差值應力有關：ρ=(