差排與線缺陷

疊差帶(stacking-fault ribbon)

當一條完美差排分裂成兩條不全差排時,兩條不全差排並不疊在一起——它們分開移動,而被夾在中間那條晶體帶的原子層以錯誤的順序堆疊。這條平坦的錯堆晶體帶,一側以領先不全差排為界、另一側以尾隨不全差排為界,就是疊差帶。承載這樣一條帶的差排被稱為已分解或已延伸,而帶的寬度是一個悄悄主宰金屬諸多行為的數字。

寬度由兩股力量的拔河決定,是物理平衡的一個絕妙例子。兩條不全差排的柏格斯向量使它們的應力場「互斥」、把它們推開——帶越寬,這股彈性斥力能量越低。但它們之間的疊差帶依其面積花費能量,所以疊差能 gamma(每單位面積的能量)把兩條不全差排拉「回」一起,像表面張力收縮肥皂膜。帶會安頓在兩者平衡的寬度:大約 d = G b_p1 b_p2 / (2 pi gamma),其中 G 是剪切模數、b_p 是不全差排的柏格斯向量、gamma 是疊差能。gamma 低意味帶寬;gamma 高則兩條不全差排緊緊靠攏。

這個寬度有實際後果,全都源自一個事實:要交叉滑移或攀移,一條已分解的螺旋差排必須先把它的兩條不全差排擠回一起(重新結合)成一點,而寬帶讓這件事變難。所以低疊差能金屬(寬帶——黃銅、沃斯田鐵不鏽鋼、青銅)交叉滑移困難,把差排堆成平坦的平面陣列,強烈加工硬化,並易形成雙晶。高疊差能金屬(窄帶——鋁、鎳)交叉滑移容易,把差排纏成胞狀,並快速回復。讀出一個金屬的帶寬,就能事先告訴你它變形性格的大半。

鋁的疊差能高(gamma 約 166 mJ/m^2),所以它的帶非常窄——勉強 1 nm——且能自由交叉滑移。沃斯田鐵不鏽鋼的 gamma 低(約 20 mJ/m^2),帶約寬十倍;它的不全差排相隔甚遠,交叉滑移被抑制,於是快速加工硬化並產生雙晶。相同的 b、卻天差地遠的行為,全由 gamma 透過 d 正比於 1/gamma 決定。

帶寬 = 不全差排斥力與疊差能的平衡;低 gamma 給出抗拒交叉滑移的寬帶。

這條帶是一片貨真價實的錯堆晶體,而非兩條線之間的空隙。由於寬帶必須重新結合、螺旋差排才能交叉滑移,低疊差能合金難以交叉滑移、因而強烈應變硬化——帶寬不是新奇小事,而是一根設計槓桿。

又稱
dissociation widthextended dislocationfaulted ribbon延伸差排