位错直接观察利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）可直接观察到材料微结构中的位错

TEM观察的第一步是将金属样品加工成电子束可以穿过的薄膜

在没有位错存在的区域，电子通过等间距规则排列的各晶面时将可能发生衍射，其衍射角、晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律（Bragg's law）

而在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观察位错的基本原理，因上述原因造成的衬度差称为衍射衬度

在图3中，中间稍亮区域（晶粒）里的暗线就是所观察到位错的像

由于多晶材料中不同晶粒的晶体学取向不同，因此晶粒之间亦存在衬度差别，这就是图2和图3中中间区域较周围区域更亮的原因

值得注意的是，图3中位错像所具有的“蜿蜒”的形态，这是位错线在厚度方向穿过试样（薄膜）的位错在TEM下的典型形态；还需注意的是图3中位错像的终结处实际上是因为位错线到达了试样表面，而非终结在了试样内部

所有位错都只能以位错环的形式终结于晶粒的内部

用TEM观察位错时，放大倍数一般选在5万到30万倍之间，这远未达到TEM放大倍数的极限

部分TEM还配有对试样进行在观察中原位加热/变形的装置，可以直接对位错的运动进行实时观察

场离子显微镜（Field ion microscopy，简称FIM）和原子探针（atom probe）技术提供了放大倍数更高（一般在300万倍以上）的观测方法，可在原子尺度对材料表面的位错进行直接观测

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