差排與強化機制

滑移(slip)

當你把金屬迴紋針折彎、放手後它仍保持彎曲,代表內部有東西被永久地移動了。那個東西就是滑移:晶體中整片整片的原子沿著特定的平面彼此滑過,就像一疊撲克牌被側向推移一樣。滑移是金屬進行塑性變形(永久變形)而非只是彈性伸長後彈回的基本方式。

滑移並不是整個原子面同時掙脫、一起滑動,那需要極大的應力。它其實是一次一列原子地發生,靠著讓一種叫做差排(dislocation)的缺陷穿過晶體。想像在地板上搬一張厚重的地毯:整張拖很費力,但踢出一道小皺褶、把這道皺褶從一端走到另一端,就能輕鬆地把地毯移動。差排就是晶格裡的那道皺褶,每當一條差排掃過一個滑移面,晶體就位移一個原子的步距。

這個圖像解釋了材料科學的一大謎題:真實金屬降伏所需的應力,比完美晶體理論值低了 10 到 100 倍。金屬之所以弱,正是因為差排讓它們很容易滑移。反過來說,所有讓金屬變強的手段,本質上都是讓滑移變難,把差排卡住、使它們無法滑行。這正是整個領域的主題。

一顆鋅單晶在拉伸時,其拋光表面會出現可見的階梯,那是滑移面彼此剪切滑過留下的痕跡;這些滑移線(或滑移帶)就是被放大到肉眼可見的原子滑動。

變形表面上的滑移帶,是數以百萬計差排沿同一族平面滑行所留下的足跡。

滑移是塑性(永久)變形,不是彈性變形,別把它和產生楊氏模數的可逆鍵結伸縮混淆。滑移也不是破裂:金屬是流動並保持為一整塊。

又称
glideslip band