缺陷與擴散

疊差(stacking fault)

最密堆積晶體是由一層層平坦的原子面依嚴格的重複順序堆疊而成的,就像疊柳橙,每一層都嵌進下一層的凹窩裡。自然的堆疊配方有兩種。FCC 金屬遵循 ABCABCABC... 的順序,在三個錯開的位置間循環;HCP 金屬遵循 ABABAB...,只在兩個位置間交替。疊差就是這個順序中的一次局部出錯——某一層落在錯誤的位置,使完美的秩序短暫中斷,隨後又恢復。

舉例來說,本應讀作 ...ABCABCABC... 的 FCC 晶體,可能改讀為 ...ABCAB|ABCABC...,其中跳過了一個 C。這個小小的差錯,是一薄片區域,在該處局部堆疊在 FCC 晶體內部一瞬間看起來像 HCP。它是平面(二維)缺陷,並且總是夾在一對部分差排之間——那條疊差帶正是一條完整差排為了攤開而分裂成兩條部分差排所跨越的區域,因為兩個較小的柏格斯向量儲存的能量比一個大的少。

疊差帶攤得多寬,取決於一項稱為疊差能(SFE)的材料性質。像鋁這種高 SFE 金屬,其疊差維持得非常窄;像黃銅、沃斯田系不鏽鋼或銀這種低 SFE 金屬,則把疊差攤得很寬。這單一個數字悄悄地主宰了許多行為:低 SFE 金屬不易交叉滑移,所以加工硬化得快、容易產生雙晶、也發展出不同的變形織構。所以一個聽起來只是堆疊出錯的缺陷,結果竟是主宰金屬如何強化與變形的設計槓桿。

鋁的疊差能很高(約 160 至 200 mJ/m^2),所以它的疊差很窄、差排易於交叉滑移。沃斯田系不鏽鋼的 SFE 很低(約 20 mJ/m^2),所以它的疊差攤得很寬、交叉滑移受抑,鋼材便快速加工硬化並產生雙晶——這正是為什麼 304 不鏽鋼既堅韌又好成形。

ABCABC 堆疊中的一次局部打嗝——其寬度(疊差能)調控著金屬如何變形。

疊差以部分差排為界,是貨真價實的二維缺陷,但它不是裂縫——晶體越過它仍完全鍵結。疊差能低意味著疊差較寬、交叉滑移較難,因而加工硬化較快。

又称
stacking-fault堆疊錯誤層錯