差排與線缺陷

法蘭克-里德源(Frank-Read source)

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用力把迴紋針折彎,它就保持彎曲,而要做到這點,晶體剪切的量非常大——遠多於一開始就在那裡的差排所能產生的滑移,即使它們每一條都跑出金屬之外也不夠。那麼所有多出來的差排從哪來?金屬在變形時「製造」更多,而經典的工廠就是法蘭克-里德源:一段兩端被釘住的差排,在應力下反覆吐出一個接一個完整的差排迴圈,像吹泡泡機不斷產出泡泡。

看它運作。取一段躺在滑移面內的差排,錨定在相距 L 的兩點(比方說被析出物、其他差排或節點釘住)。施加剪應力。這段差排在釘住的兩端無法移動,所以它在兩端之間彎成一段弧,像被推向側面、卡在兩根釘子間的繩子。它越彎,曲率越緊;它能彎到最緊的是半徑 L/2 的半圓,而這發生在一個確定的臨界應力 tau = G b / L(G 剪切模數、b 柏格斯向量、L 釘距)。越過它,迴圈就不穩定:它向外膨脹、繞到兩根釘子後方,兩臂相接、在接觸處(線的正負向相反)互相消滅,掐出一個完整的封閉迴圈滑走——並留下原來被釘住的那段差排,再從頭來一次。

後果極其巨大。一個法蘭克-里德源可以放出數百甚至數千個迴圈,所以差排密度從退火金屬的每平方公尺約 10^10 攀升到重加工金屬的 10^15 或 10^16。這種增殖是塑性應變的引擎(它供應持續變形所需的可動差排),也是——矛盾地——加工硬化的引擎:新差排如洪水般彼此纏結、互相阻擋,所以你越變形金屬越強。臨界應力公式 tau = Gb/L 也帶著一個設計訊息:釘距 L 越短,發動這個源所需的應力越高——這是析出強化與差排強化的種子。

銅中一個釘距 L = 1 微米的源(G = 48 GPa,b = 0.256 nm)在 tau = G b / L = (48e9 x 0.256e-9) / 1e-6 = 12 MPa 時發動。把釘距縮到 L = 100 nm(比方說靠細小析出物),所需應力跳升十倍到 120 MPa——較短的段是較硬的源,這正是差排強化的精髓。

被釘住的段彎弓、繞轉、掐出一個迴圈,並使自己再生:一座差排工廠。

法蘭克-里德源使差排增殖,但「不」憑空創造柏格斯向量——它放出的每個迴圈都帶著與母段相同的 b,淨柏格斯向量仍守恆。這是再生,而非違反守恆規則。

又称
dislocation millF-R source差排增殖源