差排與線缺陷

差排滑移(dislocation glide)

這是金屬最核心的魔術。要剪切一個完美晶體,你得讓一整面原子一次滑過另一面,同時扯斷那個面上的每一個鍵——需要極大的力。但含有差排的晶體會取巧:它改為移動差排,而差排一次只讓一窄列原子滑移。差排滑移就是差排穿過其滑移面的這種運動,也是真實晶體剪切的方式。這和你搬重地毯不用整張拖、而是把一個小皺褶踢過去的道理一樣——一次一褶份的鍵,每一次都很輕鬆。

逐步看機制。刃差排是一個多餘半面的邊緣。在剪應力下,核心正前方的原子扯斷它與現有半面的鍵、重新鍵結,使「下一個」面成為新的半面;差排前進了一個柏格斯向量,但只有寥寥幾個原子移動,而且只移動一點點。重複、重複、再重複,差排就一路掃過晶體;當它從另一端表面離開時,整個上方晶塊恰好滑移了一個 b,在表面留下一個一原子高的台階。滑移被稱為「保守性」運動,因為它不把任何原子移入或移出差排線——它不需要擴散,所以即使在低溫也行得通,而且很快。

這個「一次一列」的取巧,是整個領域誠實的頭條:它就是「為什麼」真實金屬比完美晶格弱十到一百倍。無瑕的晶體需要接近 G/10 的應力(G 是剪切模數)才能剪切;真實退火金屬卻在大約 G/1000 到 G/100000 就降伏,因為它布滿了差排,而差排在這應力的一小部分就開始滑移。歸根究柢,強化金屬幾乎總是關於「讓差排滑移變難」——把差排釘住,使它們無法如此自由地滑移。

完美晶體的理論剪切強度大約為 tau_th = G/(2 pi),約 G/6。對銅而言 G = 48 GPa,得 tau_th = 7.6 GPa。然而柔軟的退火銅晶體藉由滑移它的差排,在約 1 MPa 就降伏——弱了約 7600 倍。差排一次一列的滑移,正是這道鴻溝的全部原因。

滑移一次移動一列,所以金屬在完美晶體強度的極小部分就降伏。

滑移「不」把任何原子移入或移出差排線,所以它是保守性的、在任何溫度都行。對比之下攀移需要空位(擴散)、因此需要熱——別把差排的這兩種移動方式搞混。

又稱
slipconservative motion滑移