位错是晶体内原子排列的一种特殊组态。从其几何结构来看，可分为刃位错和螺位错两种基本类型。

1.刃位错（edge dislocation）

我们以简单立方晶体为例。假设它的（001）面上、沿［010］方向的分切应力大于该面的临界分切应力，则其会在［010］方向产生滑移。由于滑移是不均匀的，所以当滑移在某一时刻停止时，在晶体内就会有滑移区和未滑移区。图4.13（a）中ABCD是滑移面。EFGH的左边是滑移区、右边是未滑移区。EFGH是这两个区的分界。但这个分界不是几何上的线或面，而是一个过渡区域。这个过渡区域即为位错缺陷。故位错最通俗、最常见的定义就是晶体中已滑移区和未滑移区的分界。

图4.13　刃位错示意图

（a）宏观滑移，b为滑移矢量，τ为剪切应力；（b）位错芯微观结构的粗略示意图

该过渡区域的中心轴线EF称为位错线。远离位错线的区域保持理想晶体的完整性。接近位错线区域的点阵结构受到破坏、产生畸变而导致滑移面两边的原子不能一一对应，即原子存在错配。在EF线上的原子错配度最大。图4.13（b）为图4.13（a）中圆圈内E附近的区域沿方向的微观投影示意图。图4.13（b）中的滑移面A′B′为图4.13（a）中ABCD的一部分；EH′在图4.13（a）中EH线上。由此可见，滑移面A′B′上半部分多出一列原子，存在挤压畸变，原子间距小于正常间距；滑移面A′B′下半部分又少一列原子，存在拉伸畸变，原子间距大于正常间距。在位错线EF附近，相邻两原子的间距变化超过1/4正常原子间距的区域，称为位错芯，如图4.13（b）中虚线圈内所示意的区域。在位错芯处有严重的晶格畸变。滑移面A′B′上半部分，原子间距随着离位错芯距离的增加而逐渐增加，直至正常间距；滑移面A′B′的下半部分，原子间距随着离位错芯距离的增加而逐渐下降，直至正常间距。正因原子间距是逐渐变化的，所以位错为过渡区。人们常把位错芯的“直径”定义为位错宽度，其值约为2～5个原子间距。但位错芯的长度［图4.13（a）中，沿EF方向的长度］有数百到数万个原子间距，甚至可达晶体的宏观尺寸，故位错的宽度与其长度相比非常小。因此，人们把位错看成是线缺陷。但请注意，它不是几何意义上的线条，而是一个过渡区。

如图4.13所示的有多余原子面的线缺陷，称之为刃位错。除了以上述局部滑移的方式产生多余原子面以外，其他途径如间隙原子、空位扩散等方式也可形成刃位错。刃位错的特点主要如下。

（1）有一个额外的半原子面，如图4.13（b）中EH′所在的原子面。多出的半原子面位于滑移面上方的刃位错称为正刃位错，用符号“┸”表示。图4.13（b）中的位错就是正刃位错。多出的半原子面若位于滑移面下方的刃位错称为负刃位错，用符号“┰”表示。符号中的水平短线表示滑移面，垂直短线表示多出的半原子面。尽管有正负之分，但两者并无本质区别。把正刃位错旋转180°即可获得负刃位错。

（2）位错线与滑移矢量方向相垂直。如图4.13所示，位错线EF与滑移矢量b的方向相垂直。

（3）刃位错的位错线可以是直线、折线或曲线，但都必须与滑移方向相垂直。

（4）滑移面是位错线与滑移矢量构成的唯一平面。故滑移面必定同时包含位错线和滑移矢量b，如图4.13所示，位错线EF与滑移矢量b构成滑移面ABCD。

（5）位错芯内的点阵弹性畸变有切应变，也有正应变。比如图4.13中的正刃位错，JKLM从DA移位到KJ有切应变；滑移面A′B′上半部分有压应变，下半部分有拉应变。

（6）畸变的位错芯是过渡畸变区，也是一狭长的管道，故刃位错不是几何意义上的线条。

如果前述简单立方晶体在滑移时，图4.13所示的整个JKLM面不是均匀一致地朝［010］方向产生滑移，而是靠近JM这边滑移，靠近KL那边不滑移。那会产生什么缺陷呢？

2.螺位错（screw dislocation）

同样以前述简单立方晶体为例。当晶体受到［010］方向的分切应力时，图4.14（a）中EFGH右侧晶体上、下两部分沿晶面ABCD产生相互滑动，而EFGH左边晶体无滑动。这种情形与前述刃位错的情形有所不同。EFGH为滑移区和未滑移区的分界，EF也称为位错线。与刃位错不同的是，这里没有产生多余的原子面，而且位错线EF不像在刃位错中那样与滑移方向相互垂直，而是与滑移方向相平行。但与刃位错相同的是，这里也存在晶格畸变或过渡区。该过渡区在EFGH-anmt之间。(www.daowen.com)

图4.14（a）中，rsouv虚线所示的平面为滑移面。把紧邻该滑移面上方和下方的原子向方向投影后，如图4.14（b）所示。在从HE线向td线平移的过程中［图4.14（a）］，滑移面上、下层原子错开的原子间距从0逐渐增加。在td线处，上、下层原子相互错开了一个原子间距。同时，anmt面右边滑移面的上、下层原子也都相互错开了一个原子间距。由图4.14可知，在过渡区域内，若滑移面上方有原子，则下方无原子；若下方有原子，则上方又无原子，所以在过渡区的晶格畸变程度很大。

在图4.14（a）中，从a开始向E移动，并依次连接过渡区原子，顺序为aEbcd。这样，转了一圈后到达d点。起点a与d错开一个原子间距。继续从d开始照此方法走下去到达e，E与e又错开一个原子间距。如此下去，这种在过渡畸变区的行进路线为螺旋状，故称这种缺陷为螺旋型位错，简称螺位错。

图4.14　螺位错示意图［为使图清晰，图4.14（a）仅示意了过渡区部分原子及晶格。实心球、空心球的大小仅仅是为了清楚表达原子的上下层关系，并不是说下层原子要小］

螺位错过渡区也为一种管状缺陷，其宽度为图4.14（a）中aEHtd的“半径”。通常该“半径”大约为3～5个原子间距，而其长度（沿EF方向）却远远大于“半径”的尺寸，故螺位错为线缺陷。螺位错有左旋、右旋之分，并且左旋、右旋螺位错有本质区别，因为我们无论怎么放置都不能使左旋螺位错和右旋螺位错相互转变。这就如同我们的双手，左手无论怎么放都不会变成右手。假设图4.14中的位错是左旋螺位错，则如果EH右边滑移面上半部分朝纸面外滑移、下半部分朝纸面内滑移就成为右旋螺位错。螺位错类型的确定，我们将在下一节介绍。

螺位错是荷兰流体力学家Johannes Martinus Burgers（1895—1981年）在1939年，也就是Taylor等提出“刃位错”这一概念五年之后提出的。这是Johannes Martinus Burgers被身为物理冶金学家的弟弟Wilhelm Gerard Burgers（1897—1988年）“拉入”位错理论的早期研究中做出的开创性工作之一。螺位错的特点主要如下。

（1）螺位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称。

（2）位错线EF与滑移矢量b平行，故它们构成的滑移面不像刃位错那样是唯一的。包含位错线EF的平面必然包含滑移矢量b，故螺位错可以有无穷个滑移面。如果我们把书脊作为位错线EF，翻书时，就相当于把书中的某一页绕书脊旋转，那么该页旋转的每个角度对应一个滑移面，在这些面上，EF∥b。而在刃位错中，EF⊥b，它们的交线只能确定一个平面。但实际上，螺位错中的滑移面还是有限的，因为实际滑移通常是在原子密排面上发生的。

（3）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，而无正应变。也就是在垂直于位错线的平面上投影，我们看不出缺陷。比如，把图4.14（a）沿［010］方向投影后，我们看不到任何缺陷。同样，离位错越远，切应变产生的畸变逐渐减小。

（4）位错线的移动方向与滑移方向互相垂直。如图4.14所示，若EF右边的错动继续进行下去，E点及其上方的原子b也要产生错动，此时滑移区和未滑移区的分界线平移到EF线左边的一列原子上，即位错线向左移动，而滑移矢量b的方向仍是原来的方向。所以螺位错的位错线移动方向与滑移矢量b相互垂直。

以上两种是最基本的位错形式。它们还可构成混合位错。

3.混合位错

图4.15　混合位错示意图（引自潘金生，2011）

我们已知刃位错的位错线EF与滑移矢量b成90°角而相互垂直；螺位错的位错线EF与滑移矢量b成0°角而相互平行。当EF与滑移矢量b的夹角是0°～90°之间的任意角度α时，我们可将其滑移分解成平行于边界线的位移分量a cosα和垂直于边界线的位移分量a sinα（a为滑移面两边的相对位移）。产生平行于边界线位移分量a cosα的缺陷可看成是螺位错，产生垂直于边界线位移分量a sinα的缺陷可看作是刃位错，即这种缺陷是由刃位错和螺位错混合而成的混合位错。这时，位错线EF就是一条弯曲的线条（图4.15），图中E处是纯螺位错，F处是纯刃位错，E、F之间的虚线所示是混合位错。实际上，在图4.14（a）中，我们从右边向方向观察，ABvu面发生的切变与图4.13（a）相似。因此，以滑移方式产生螺位错时，常常也伴随刃位错。

我们在前面多次提到，刃位错和螺位错在过渡区都有晶格畸变。而畸变程度有大有小，那如何来表示畸变程度的大小呢？这就需要关注Johannes Martinus Burgers在位错领域的另一个开创性贡献——Burgers矢量的提出。