層錯能

位錯滑移會引起晶體的剪下變形，它是金屬塑性變形的主要機制。位錯造成晶體內原子的錯排，進而引起它附近晶體點陣結構的彈性畸變，因此位錯也是內應力源。只有當金屬的層錯能很低時，完整位錯的分解才會明顯出現。當滿足一定條件時，完整位錯可以分解成若干部分位錯，但是必須滿足分解之前的能量大於分解後各部分的能量總和，只有這樣的分解從能量角度分析是有利的，因此這個過程才能在熱力學上進行下去。因此可以認為，各部分位錯之間是存在某種排斥作用。當完整位錯在某一晶面上分解後，該晶面上各部分位錯之間的正常點陣結構受到進一步的破壞，促使體系能量升高。這種能量稱為層錯能。

基本介紹

• 中文名：層錯能
• 外文名：Stacking fault energy
• 原因：晶面上的破壞，促使體系能量升高
• 類型：材料
• 屬於：材料科學
• 理論基礎：結晶學、熱力學

層錯能的理論基礎

(1)從晶體結構學角度，在層錯中原子和正常堆垛的能量差就是層錯能。層錯能好象一片很薄的孿晶。在擴展位錯間的滑移面上下發生了堆垛層錯，堆垛錯排使能量增加，增加值即為層錯能。層錯能可近似地等於2倍的退火孿晶界能。而文獻認為，層錯能應包括體積能量和表面能量。當應變能和化學自由能之和(負值)足以抵償表面能時，層錯核心就自動擴展。

(2)從相自由焓角度，層錯能反映了fcc和hcp兩種結構的能量差，隨電子濃度的增大而降低。Hirth認為純金屬的層錯能值就等於一層fcc和hcp原子結構的吉氏自由焓差，並推導了層錯能和△G間的關係式。對於合金，還應考慮鈴木效應。Dewit等人計算了平衡態下，fcc晶體中溶質原子在層錯處的偏聚，提出在相同成分和溫度下，fcc和hcp的自由能差不同於層錯能。

(3)從層錯形核機制考慮，層錯能為層錯區域的化學自由能和應變能、界面能之差值。只有當層錯能為一定負值時，層錯才會自動擴展而發生ε馬氏體相變。

實際定義

(1)層錯能。為不致混亂，仍定義由測量層錯寬度，根據位錯理論推導的公式計算的能量值為層錯能。層錯能實際上是反映了層錯所引起的應變能及合金元素偏聚引起的鈴木效應。該定義的層錯能與習慣上稱謂的層錯能是一致的。該值就是各研究者實驗測定的值，表示符號為γ_SF或SFE。這樣，研究者所獲得的層錯能數據仍然是有工程意義的。

(2)層錯形核能。層錯是在一定溫度下奧氏體中存在的晶體缺陷。層錯形核能是層錯的存在使體系能量的變化值，符號為△G_sfe。在相變時，已存在的一定尺寸的層錯作為相變核心。層錯形核能和Cohen定義的層錯能意義基本上是一致的，即層錯存在所引起的層錯晶體處的自由焓降低值△G^c、應變能△G^E和界面能△G^s值之和。△G^c為負值，△G^E、△G^s為正值。當然在各項中都包含了溶質原子固熔的鈴木效應。

奧氏體層錯能的結點測定法

層錯能的測定有許多方法。用電子顯微鏡測定層錯能常用的方法也有兩種：擴展位錯寬度測量法和結點測定法。前者適用於出現長而直且寬度均勻的擴展位錯的合金層錯能的測定。對於位錯擴展不均勻、出現位錯網路的情況，可採用結點測定法測定層錯能比較合適。

面心立方晶體中兩種a/2[110]型位錯發生互動作用，導致擴展結點和收縮結點交替形成。在擴展結點中，不全位錯的彎曲被該結點內堆垛層錯的表面張力所平衡，因此該結點的曲率半徑R是層錯能γ_SF的量度。

堆垛層錯能的影響

疲勞裂紋的萌生是和持久滑移帶的出現相聯繫的，而具有高層錯能的材料(即擴展位錯寬度窄的)比較容易發生交滑移，位錯的運動可以通過交滑移的方式而繞過障礙使形變繼續進行，因此，能促使持久滑移帶的形成，有利於疲勞裂紋的萌生和擴展。具有高層錯能的材料的疲勞抗力是比較低的，相反，具有低層錯能的材料(即它的擴展位錯寬度是比較寬的)，一方面使其位錯交滑移難以進行，位錯在一個平的滑移面上運動遇到阻力而停止，塑性變形不再集中於此而是均勻分布，因此，不容易過早地出現持久滑移帶；另一方面，位錯胞也不容易形成，都有利於阻止疲勞裂紋的成核和長大。所以，在某種意義上可以說，疲勞極限是直接正比於位錯交滑移的困難程度。