亞結構

亞結構（substructure）是一種嵌鑲結構，泛指晶體內部的錯位排列和分布；特指晶體劃分為取向差不大（從秒到度數量級）的亞晶粒，其晶粒間界可以歸結為錯位的行列或網路（見位錯）。它們都是與超結構或調製結構相對而言的，其晶胞此時稱為亞晶胞（subcell）。

基本介紹

• 中文名：亞結構
• 外文名：substructure
• 實質：冷加工形變後不完全回復的晶體
• 實質：嵌鑲結構
• 形成原因：冷塑性變形

簡介

定義

冷加工形變或形變後不完全回復的晶體，其原來結晶取向基本一致的晶粒會細化成大小約為10^-4厘米，取向略有差別（幾分至幾度）的小晶塊，這種結構稱作亞結構。熔態凝固生長的晶體由於雜質原子的偏析或空位集聚也會形成亞結構。亞結構中晶塊界面處位錯密度較高，塊內的位錯密度很低。

歷史

亞結構是金屬晶體中間常見的一種結構。早在1912年C.G.達爾文就發現：按照X射線衍射動力學理論，完整晶體的衍射強度和線寬應遠小於在多數實際晶體中實測出的數值。為了解釋此分歧，他就提出嵌鑲結構模型，即構想實際晶體是不完整的，由許多取向差不大的晶塊所組成。在50年代以後，多種實驗方法觀察到晶體內的錯位行列和網路，使得原來構想的嵌鑲結構具體化了，就更多地採用亞結構這個名詞。晶體內部的亞結構和晶體的經歷有關。在原生狀態，晶體的完整性取決於生長條件：可以有明顯的亞晶粒；或僅存在不規則分布的錯位；有時甚至長出無錯位的晶體；也可能出現由於雜質不均勻分布所導致的亞結構。在晶體範性形變以後，大量錯位不均勻分布在滑移面上，塞積於障礙前；有時形成形變的胞狀結構，即低錯位密度區為高錯位密度的胞壁區所隔開的狀態。在範性形變後再經過退火，晶體中的錯位可以通過攀移形成行列或網路，導致明顯的亞晶粒出現。

亞結構的力學穩定性

在某些條件下，衝擊硬化金屬的力學回響會變得很不穩定。Meyers發現，金屬鎳在受到20GPa的衝擊載荷時，其應力-應變曲線（拉伸時）沒出現加工硬化現象。右圖給出了材料受到不同脈衝持續時間衝擊的應力-應變曲線。材料分別在室溫和77K時受到衝擊。而後將試件取出，並加熱到其恢復特徵溫度，金屬鎳的加工硬化特徵就會恢復。這可從下左圖上清晰地看出，材料在573K進行1個小時的熱處理後，硬度沒有改變，但材料的塑性回響即從“加工軟化”變成了“加工硬化”。在微觀尺度上，如果能看到衝擊載入產生的位錯形貌，那么加工軟化就容易理解了。由於淨塑性變形很小或沒有，所以衝擊變形的材料的總Burgers矢量為零或近似為零。因此，可以將組成變形亞結構的晶胞看成是位錯的集合，Burgers矢量正負方向頻率大致相等的位錯。Fourie等人對位錯的排列進行了分類。Chareley和Kuhlmann-Wilsdorf研究了這些雙極晶胞壁，並得出，雙極晶胞壁結構是一種不穩定的結構，而且塑性變形有可能破壞這種構形。這已由對準靜態拉伸實驗試件的頸部進行透射電鏡觀測所證實。特徵晶胞形態被大大伸長的晶胞所替代，實際上其內部沒有位錯。下右圖是由衝擊硬化鎳試件的塑性變形引起的晶胞結構的急劇變化。大而長的晶胞替代了那些小晶胞，位錯重排的過程並不需要有新的位錯產生。因此，沒有發生加工硬化而主要是由，位錯的產生和增殖造成的。

金屬鎳受到25GPa不同脈衝時間的衝擊載荷時所產生的應力-應變曲線

亞結構的變化

金屬材料經冷塑性變形後，形成胞狀亞結構，在胞內，位錯密度較低，在胞壁處則集中著纏結在一起的位錯，位錯密度很高。在回復退火階段，當用光學顯微鏡觀察其顯微組織時，看不到有明顯的變化。但當用電子顯微鏡觀察時，則可看到胞狀亞結構發生了顯著地變化。純鋁多晶體進行回復退火時，在回復退火之前的冷變形

狀態，纏結位錯構成了胞狀亞結構的邊界。經短時回復退火後，空位密度大大下降，胞內的位錯向胞壁滑移，與胞壁內的異號位錯相抵消，位錯密度有所下降。隨著回復過程的進一步發展，胞壁中的位錯逐漸形成低能態的位錯網路，胞壁變得比較明晰而成為亞晶界，接著這些亞晶粒通過亞晶界的遷移而逐漸長大，亞晶粒內的位錯密度則進一步下降。回復溫度越低，變形度越大，則回復後的亞晶粒尺寸越小。

位錯亞結構強化

已有的工作表明：在Ar₃～Ar₁溫度區間變形而形成的亞晶和位錯有顯著的強化作用，由於鐵素體中的位錯密度增加，位錯亞結構提高了鐵素體的強度。位錯密度ρ與鐵素體的屈服強度σ_d之間的關係為：

式中，α為比例係數，μ為切變模量，b為位錯的柏氏矢量，ρ為位錯密度。下圖是在室溫（25℃）和低溫下鐵素體中的位錯密度與流變應力關係，位錯與晶界對鐵素體的強化作用強烈地取決於間隙原子在位錯上的偏聚情況，原子偏聚越多，對位錯運動的阻力越大，強度越高，因而強化效果隨溫度而變化。

在易於交滑移的金屬中，應變數超過一定程度後位錯將排成三維亞結構，形成“胞狀結構”或“亞晶”。胞狀亞結構對屈服強度的貢獻可表示為：

式中，β為比例係數，D_cs為位錯胞狀結構的尺寸。

亞結構細化

金屬的塑性變形是以位錯的不斷增殖和運動來實現的，因而塑性變形後，位錯數量迅速提高，位錯密度可增加幾個數量級，可從變形前經退火的10⁶～10¹⁰/cm²增至10¹¹一10¹²/cm²。此外，變形使金屬中的空位密度也顯著增加。

研究表明，經塑性變形後，多數金屬晶體中的位錯分布不均勻。形變數較少時，形成位錯纏結結構；當形變數繼續增加時，大量位錯發生聚集，形成胞狀亞結構，相鄰胞間取向一般不超過2°，位錯主要集中在胞壁中，胞內僅有稀疏的位錯網路，胞內位錯密度約為胞壁的1/4；變形量越大，則胞塊的數量越多，尺寸減小，胞塊問的取向差也逐漸增大；變形量繼續增大（如強烈冷變形或拉絲），則會構成大量排列緊密的細長條狀形變胞，如下圖。

形變亞結構是在塑性變形過程中形成的。在切應力的作用下，位錯源所產生的大量位錯沿滑移面移動時，會遇到各種阻礙位錯運動的障礙物，如晶界、第二相顆粒，以及多滑移時形成的割階，這些障礙物會導致位錯的纏結和堆集，進而形成亞結構胞壁。一般來說，高層錯能晶體更易形成胞狀亞結構。這是由於對層錯高的金屬而言，變形過程中位錯不易分解，遇到障礙時通過交滑移繼續移動，直至與其他位錯相遇纏結。層錯能較低的金屬由於其位錯易於分解，因而通常只形成分布較均勻的複雜位錯結構。