位错位错的滑移与晶体塑性

发布网友 发布时间：2024-10-23 22:05

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热心网友 时间：2024-11-06 18:10

在20世纪30年代以前，材料的塑性变形行为一直困扰着科学家们。1926年，苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔提出了一个模型，设想在材料塑性切变时，两个相邻间距最大的晶面（最密排晶面）会整体同步滑移，这对应于切变面两侧。根据这一理论计算，理论临界剪切应力τm与剪切模量G相关，金属如钢的G值通常在10000MPa至100000MPa之间，预测的切变强度应为1000MPa至10000MPa。然而，实验显示金属的屈服强度仅为0.5至10MPa，这与理论预测相差巨大，形成了显著的矛盾。

1934年，三位科学家，埃贡·欧罗万、迈克尔·波拉尼和G.I.泰勒，共同提出了位错机制理论，解释了这个矛盾。他们指出，晶体的塑性变形并非整体滑移，而是通过位错的局部运动来实现。位错运动使得晶面间的滑移通过位错线的移动完成，这比整体滑移所需的原子断裂要少，因此所需的外加剪应力显著降低。

当材料在低温（低于0.3 Tm，Tm为熔点）的冷加工过程中，位错密度会增加，因为位错的生成和增殖机制被激活。随着位错密度的增加和不同滑移系的参与，位错间相互交错，导致材料变得更难变形，即所谓的加工硬化或应变硬化。在塑性形变初期，材料中常见缠结的位错，它们之间的边界不清晰。经过动态回复过程后，这些缠结区会分解为独立的胞状结构，彼此间有小角度的晶体学取向差。

位错积累和相互阻挡导致的应变硬化可以通过热处理，如退火，来消除。在退火过程中，金属内部的回复和再结晶等过程可以缓解内应力，甚至恢复材料原有的性能。

位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。“位错”这一概念最早由意大利数学家和物理学家维托·伏尔特拉（Vito Volterra）于1905年提出。