差排與強化機制
滑移系統(slip system)
如果滑移是原子在滑動,那麼滑移系統就告訴你原子究竟往哪個方向滑:一個它們沿之滑動的特定平面,配上一個它們滑動的特定方向。想像推一疊紙,它最容易沿著平坦的紙面(平面)、朝你推的方向(方向)滑動。晶體的原子堆積方式本身就內建了偏好的平面與方向,滑移就發生在那些平面與方向上。
這些偏好的都是最密的:滑移偏好最密堆積的平面(原子鋪得最緊、因此平面最平滑、與相鄰面的間距最大),以及該平面內最密堆積的方向(最短的原子步距)。在面心立方(FCC)金屬中,最密堆積面是 {111} 這一族、方向是 <110> 這一組;把 4 個不同的平面各配上 3 個方向,就得到 12 個滑移系統,而且全是密堆積。正是這麼多條容易滑動的路徑,讓銅、鋁、金與沃斯田鐵系不鏽鋼這類 FCC 金屬如此有延性。
因此晶體結構主宰了延性。像鐵這樣的體心立方(BCC)金屬有多達 48 個滑移系統,卻沒有一個是真正密堆積的,所以滑移需要更大的應力,而且一冷下來就難得多,這也是鋼在低溫下會變脆的部分原因。像鎂、鋅這樣的六方最密堆積(HCP)金屬雖有密堆積面,但獨立的滑移系統很少,所以它們相對脆、在室溫下難以成形。
FCC 的鋁有 12 個密堆積滑移系統,可以輥軋成廚房用鋁箔;HCP 的鎂在室溫下能啟動的滑移系統少得多,冷彎時容易裂,這就是鎂通常要熱加工成形的原因。
同樣的機制(滑移),成形性卻天差地遠,因為容易滑動的滑移系統數目是由晶體結構決定的。
材料要能塑性變形成任意形狀,至少需要 5 個獨立的滑移系統(馮米塞斯準則);FCC 輕鬆超過這道門檻,HCP 常常不足,這才是 HCP 金屬延性較差的真正原因。
另见