[科普中國]-釘扎點(diǎn)

簡介

釘扎點(diǎn)，是指位錯(cuò)移動(dòng)的障礙物自身的幾何尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰障礙物之間的距離，因此可以將障礙物視為釘扎點(diǎn)的情況。在金屬材料的強(qiáng)化方式中，阻礙位錯(cuò)滑移的單個(gè)固溶原子和通常的第二相粒子，以及對于水平方向上移動(dòng)的位錯(cuò)來說豎直方向上的林位錯(cuò)等，都屬于釘扎點(diǎn)。

固溶強(qiáng)化晶體材料中，狹義的零位晶體缺陷是空位。這里，我們將晶體中各個(gè)方向上的大小都是原子尺度的不均勻性質(zhì)點(diǎn)統(tǒng)稱為零維缺陷。除了空位外，它還包括代位式、間隙式存在的固溶態(tài)合金原子或者雜質(zhì)原子。這些缺陷點(diǎn)破壞了完整晶體原有的周期性均勻結(jié)構(gòu)，它們與晶體中的位錯(cuò)之間存在交互作用，并且隨著它們之間的距離改變，這樣，當(dāng)位錯(cuò)在這些點(diǎn)缺陷附近經(jīng)過時(shí)就會遇到阻力，從而提高材料屈服強(qiáng)度。人們將晶體中的固溶原子通過各種交互作用增加位錯(cuò)移動(dòng)阻力而使屈服強(qiáng)度提高的現(xiàn)象，稱作固溶強(qiáng)化。

金屬材料中加入合金元素，如果有部分合金元素的原子固溶于基體金屬中，都會產(chǎn)生一定的固溶強(qiáng)化作用。通常情況下，不考慮空位對晶體屈服強(qiáng)度的影響。但是，在受到核輻射強(qiáng)烈作用因此產(chǎn)生大量空位及空位聚集形成的孔洞時(shí)，它們對于屈服強(qiáng)度的影響也是必須考慮的。

第二相粒子晶體中，任何一個(gè)方向上的大小都比原子直徑高出至少一個(gè)數(shù)量級的缺陷稱作三維缺陷。其典型代表是第二相質(zhì)點(diǎn)。在其所處范圍內(nèi)，原有的基體材料的原子排列情況完全改變。第二相質(zhì)點(diǎn)處于位錯(cuò)的滑移面上，就會阻擋位錯(cuò)的移動(dòng)。位錯(cuò)線或者繞過或者切割粒子，才能繼續(xù)移動(dòng)。如果第二相粒子與基體金屬在相界面上還有共格或者半共格關(guān)系，兩者之間的晶格常數(shù)差異還會產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變場，從而以另一種方式影響晶體材料中位錯(cuò)的移動(dòng)。人們將第二相粒子對位錯(cuò)移動(dòng)的阻力所產(chǎn)生的強(qiáng)化稱作第二相強(qiáng)化。

如果產(chǎn)生強(qiáng)化作用的第二相粒子，在高溫下溶解于基體金屬中、較低溫度下通過固態(tài)相變析出，它所產(chǎn)生的強(qiáng)化叫做沉淀強(qiáng)化（precipitation strengthening），是金屬材料中常見的第二相強(qiáng)化。在另外一些情況下，第二相質(zhì)點(diǎn)是人為加入到基體材料中的，或者是通過內(nèi)氧化方式由金屬轉(zhuǎn)變成的氧化物質(zhì)點(diǎn)。它們在高溫下不溶解，一旦生成不再改變，加熱時(shí)效過程中也基本上不發(fā)生熟化長大。這樣的第二相質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)化稱作彌散強(qiáng)化。1

釘扎點(diǎn)的強(qiáng)化效果如下圖所示，一條在滑移面上移動(dòng)的位錯(cuò)，遇到間距為l兩個(gè)釘扎點(diǎn)P、Q而被釘扎住。

因?yàn)橥饧討?yīng)力τ的驅(qū)動(dòng)作用，釘扎點(diǎn)P、Q之問的位錯(cuò)段發(fā)生彎曲。外應(yīng)力τ升高，位錯(cuò)段彎曲加劇，其曲率半徑r減小，釘扎點(diǎn)兩側(cè)的位錯(cuò)線之間的夾角減小，驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)越過釘扎點(diǎn)的合力增大，相應(yīng)的釘扎點(diǎn)保持平衡所必須提供的阻力增大，直到達(dá)到其最大值Fmax，位錯(cuò)擺脫釘扎；或者當(dāng)釘扎點(diǎn)兩側(cè)的位錯(cuò)線的夾角減小為0°時(shí)，位錯(cuò)在釘扎點(diǎn)上留下一個(gè)位錯(cuò)圈，重新恢復(fù)直線狀而繼續(xù)前進(jìn)。此時(shí)，所需的外應(yīng)力，就是該釘扎點(diǎn)的強(qiáng)化效果。1

脫釘位錯(cuò)線受迫振動(dòng)所引起的聲吸收同聲波振幅無關(guān)，但與聲波頻率以及位錯(cuò)線段的長度有關(guān)。當(dāng)晶體上的外加應(yīng)力（靜應(yīng)力或聲應(yīng)力）增加到一定程度時(shí)，缺陷所引起的釘扎點(diǎn)可被位錯(cuò)線拋脫（稱為脫釘），從而使位錯(cuò)線段迅速變長。當(dāng)外加應(yīng)力去掉后，位錯(cuò)線段又作彈性收縮，最后重新被釘扎。這時(shí)在聲波一周期內(nèi)對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線是一個(gè)滯后回線。由這種形式的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲吸收與聲波振幅有關(guān)，卻不依賴于聲波頻率。

位錯(cuò)機(jī)制塑性阻尼的兩個(gè)階段與循環(huán)拉伸微塑變的兩個(gè)階段相對應(yīng)：第一階對應(yīng)塑性應(yīng)變小于2x10-4的區(qū)域，Schmid因子較大晶粒內(nèi)部位錯(cuò)從釘扎點(diǎn)上脫釘并在基面滑移，可動(dòng)性較大，激活體積較大，加工硬化指數(shù)較小;當(dāng)塑性應(yīng)變高于2x10-4時(shí)，由于位錯(cuò)在同一滑移面上材料硬化，所以具有較大的加工運(yùn)動(dòng)而發(fā)生纏結(jié)和堆積，可動(dòng)位錯(cuò)密度降低，硬化指數(shù)和較小的位錯(cuò)滑移激活體積，這時(shí)微塑變進(jìn)入第二階段。

在應(yīng)變小于第一臨界應(yīng)變振幅時(shí)，純鎂中位錯(cuò)在弱釘扎點(diǎn)間擺動(dòng)，加載卸載曲線基本重合為一條直線，此時(shí)阻尼性能Q-10與應(yīng)變振幅無關(guān)；隨應(yīng)變的增大，位錯(cuò)從弱釘扎點(diǎn)上脫釘，產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變滯后環(huán)，滯彈性應(yīng)變迅速增加，而正切彈性模量快速降低，此時(shí)阻尼性能Q-1h 隨應(yīng)變振幅逐漸增大。這兩個(gè)滯彈性階段可以用G-L位錯(cuò)模型來解釋；當(dāng)高于第二臨界應(yīng)變振幅后，G-L曲線偏離直線，基面位錯(cuò)從強(qiáng)釘扎點(diǎn)上脫釘，發(fā)生微小塑性變形，阻尼性能Q-1p快速提高;當(dāng)高于第三臨界應(yīng)變振幅后，由于位錯(cuò)的纏結(jié)和堆積，摩擦應(yīng)力逐漸增大，而損失模量的增加速度變緩。后兩個(gè)微小塑性變形階段需要用微塑變位錯(cuò)模型來解釋。隨著晶粒尺寸或基面滑移Schmid因子的增大，純鎂的阻尼性能、滯彈性應(yīng)變和損失彈性模量增大，而正切彈性模量、摩擦應(yīng)力和背應(yīng)力降低。2