差排攀移(dislocation climb)
滑移讓刃差排在它的滑移面內側向滑動,代價低、任何溫度都行。但刃差排還有第二種、相當不同的移動方式:它可以往「上」或往「下」踏,完全離開它的滑移面。這種垂直運動稱為攀移,其運作是讓多餘的半面變大或變小。既然不添加或移除原子就無法把半面的邊緣移出面外,攀移就與滑移根本不同——它需要物質進進出出地調度。
機制逐步如下。要向「上」攀移一列,多餘半面的下緣必須失去它那一列原子:每個原子離開邊緣、跳走並被晶體吸收,這等同於一個空位抵達邊緣、而該原子在別處填補它。要向「下」攀移,半面必須「獲得」一列,由擴散進來的原子(或離開的空位)供給。無論哪種,攀移都消耗或放出空位,而空位只能靠擴散移動、擴散是熱活化的——所以攀移需要熱。這就是為什麼攀移被稱為「非保守」運動(線上的原子不守恆),也是為什麼它在室溫下可忽略、在高溫(約高於熔點一半)下卻很重要。
只有刃差排(以及混合差排的刃分量)能攀移,因為純螺旋差排沒有可增可減的半面。攀移在工程上緩慢、高溫的情境中極為重要:它是潛變的關鍵步驟——金屬在高溫負載下逐漸變形(渦輪葉片、蒸汽管),因為它讓差排能藉由攀過去而逃離它們滑不過的障礙。它也驅動回復與差排迴圈的縮小,並讓差排網絡粗化。滑移快而冷,攀移慢而熱——它是差排運動中受擴散限制的手足。
在 1000 攝氏度(約為鎳熔點克耳文溫度的 0.74)的鎳渦輪葉片中,空位既多又靈活,所以刃差排以緩慢而穩定的速率攀過析出物障礙——這是潛變的微觀由來。把溫度降到 25 攝氏度,空位擴散被凍結;攀移實質上停止,只剩滑移,所以同一片葉片根本不會潛變。
攀移藉由吸收或放出空位,把刃差排移出它的滑移面;它需要擴散,因此需要熱。
螺旋差排無法攀移——沒有可增可減的半面。而且攀移是非保守的:不同於滑移,它改變線上的原子數目,所以受空位擴散節制,只在高溫下才要緊。