疊差能(stacking-fault energy)
最密堆積晶體由一層層平坦的原子面以重複順序堆疊而成——面心立方遵循 ABCABC、六方最密堆積遵循 ABAB。疊差就是這個順序上的局部失誤,是序列打結的地方(例如 ABCABCACBC,有一層錯了位)。造出這樣一片疊差,會按其面積花費一點能量,因為緊鄰疊差的原子發現自己身處稍微不那麼舒適的鄰域。這份代價,以每單位面積的能量(每平方公尺毫焦耳)量度,就是疊差能,記作 gamma。它很小,卻是物理冶金中最具影響力的小數字之一。
為什麼這麼有影響力?因為 gamma 決定一條完美差排分裂成不全差排時分得多開。兩條不全差排互斥、想攤開;它們之間的疊差帶按面積花費 gamma、想縮小;平衡寬度大約正比於 1/gamma。所以「低」疊差能意味已分解不全差排的「寬」帶,「高」gamma 則使不全差排靠得如此近、以致差排實際上未分解。感受一下尺度:鋁的 gamma 高、接近 166 mJ/m^2(窄帶),銅中等、約 45,沃斯田鐵不鏽鋼或 70/30 黃銅則低、20 或更少(寬帶)。
從這一個參數,傾瀉出一整套變形性格。已分解的螺旋差排必須先把不全差排拉回一起才能交叉滑移,所以低 gamma 金屬交叉滑移極其困難:它們的差排在平坦的平面帶中滑移、堆積、強烈加工硬化,並易以機械雙晶方式變形、甚至轉變為麻田散鐵(TWIP 與 TRIP 鋼的基礎)。高 gamma 金屬交叉滑移自如,纏成三維胞狀,較容易回復與潛變。所以 gamma——這個你用穿透式電子顯微鏡拍帶寬、或由節點幾何量出的微妙量——悄悄預告了延展性、硬化率,以及金屬會不會產生雙晶。
在銅中加鋅做成黃銅,會把疊差能從銅的約 45 mJ/m^2 降到約 20 mJ/m^2。帶變寬(寬度正比於 1/gamma),交叉滑移被扼制,合金加工硬化陡得多、且易產生雙晶——這正是彈殼黃銅遠比純銅難以靠單純回復軟化的原因。
gamma(mJ/m^2)決定不全差排間距、因而決定交叉滑移;低 gamma 意味寬帶、強烈硬化、雙晶。
別把疊差(面缺陷本身)與疊差能(造出它的每面積代價)搞混。能量才是你用合金化調控的對象,而降低它並不會弱化金屬——通常反而讓它更硬、更易產生雙晶。