差排與線缺陷

差排應力場(dislocation stress field)

差排並不只是核心處的一個瑕疵——它會擾動周圍很遠的晶體。因為多餘的半面把一些原子擠在一起、把另一些拉開,整個鄰域都留有應變,就像床單上單單一摺就向四面八方放射出去的皺紋。這片被拉伸與壓縮的鍵所構成的周圍區域,就是差排的應力場;即使遠處的原子只被位移了一點點,那道溫和的長程場正是讓一條差排能隔著許多原子間距感覺到另一條差排的原因。

兩種差排性質的場形不同。「刃」差排周圍的場同時有剪切與擠壓/拉伸部分:滑移面上方(多餘半面那一側)的原子受壓,下方的原子受張——這種膨脹性的場,關鍵在於它會把偏小的原子吸到線下方、把偏大的原子吸到上方。「螺旋」差排周圍的場是純剪切、「完全沒有」壓縮或張力;原子只是繞著線扭轉。兩種情況下,應力都隨 1/r 溫和地遞減,r 是離線的距離:對螺旋差排,剪應力為 tau = G b / (2 pi r),其中 G 是剪切模數、b 是柏格斯向量大小。在核心附近(約一奈米內),1/r 公式會發散、線彈性失效,所以我們乾脆把一小塊核心區域切掉、另行處理。

這道 1/r 場正是差排能隔空交互作用的原因,而這些交互作用主宰全局。同一平面上兩條同號差排互斥;異號差排互吸、可以互相消滅。刃差排的張力與壓縮瓣會把溶質原子拉向它、形成釘住它的柯氏氣團(尖銳降伏點的由來)。這道場也儲存差排的能量——把線周圍的彈性能量密度積分,你就得到線能量,這就是為什麼那能量正比於 b^2、且只隨晶體尺寸對數式地發散。幾乎每一種強化機制,追根究柢都是對這些重疊應力場的操弄。

對銅中的一條螺旋差排(G = 48 GPa,b = 0.256 nm),在離核心 r = 10 nm 處的剪應力為 tau = G b / (2 pi r) = (48e9 x 0.256e-9) / (2 pi x 10e-9) = 0.20 GPa。在 r = 100 nm 處則小十倍,為 0.020 GPa——1/r 的遞減使這道場成為長程、卻隨距離越來越弱。

應力隨 1/r 從線遞減;螺旋差排的場是純剪切,刃差排的場則上壓下張。

1/r 彈性場在核心正處並不真實,那裡的應變大到線彈性不成立;標準做法是切掉一個半徑約 b 的核心、另行計入。只有刃差排的場有靜水(膨脹)分量——螺旋差排不會因尺寸失配而吸引溶質。

又称
elastic strain fieldlong-range stress field彈性應變場