柯氏气团

更新时间:2023-10-20 18:14

材料内部存在的大量位错,在刃型位错线附近原子发生畸变,从而使能量升高,晶体处于不稳定状态。溶质原子会“自觉”聚集到刃位错受拉部分(正刃下方负刃上方),因为这样会降低晶格的畸变,使体系更加稳定,此时,位错原子如果想要运动就要克服更大的阻力,这种现象就是所谓的“柯氏气团”。这会影响位错在外力作用下的移动---抗力会增加,这是有些金属出现屈服现象的原因。无论置换固溶体还是间隙固溶体,固溶体的硬度、强度总是比组成它的纯金属要高,并且随着溶质原子浓度的增加,溶质原子和溶剂原子尺寸差别的增大(置换固溶体情况下),强化的效果加大。

基本介绍

柯氏气团发生在BCC和FCC材料中,像铁一类的金属具有一些杂质原子如碳,氮之类的。这些杂质原子会引起轻微的晶格畸变,相应的产生一个残余应力集中的区域围绕着这些杂质原子。这些杂质的扩散形成了一定的位错,直到抵达一个核心区域并趋于稳定。这样的一段位错如同一根针深深的插入到原有的晶体结构中。一旦位错形成针状,就需要额外的应力来移动,因而在宏观上形成了屈服强度的上升。之后位错便可以自由的在晶体内运动,宏观上看,屈服强度下降。相关的有吕德斯带

位错应力

晶体中存在缺陷时,克服位错应力所做功为:W=-P△V=4(1+ν)GbR03εsinθ/3r(1-ν)。这个功也就是点缺陷和位错的交互作用能。

由此,可以作出以下几点讨论:

(1)如果交互作用能为负值,W<0,则表示位错和溶质原子相互吸引;如果为正值,W>0,则表示位错和溶质原子相互排斥。

(2)交互作用能W ∝ r -1 ,即距离位错中心越近,|W|越大。但是r不能小于位错宽度,否则无意义。

(3)如果ε>0,表示溶入的溶质原子引起体积膨胀,使交互作用能增加,表示溶质原子和位错相互排斥。对于正刃型位错而言,点缺陷所处的位置不同情况不一样。若π>θ>0,即溶质原子位于正刃型位错上方,则W>0,位错和溶质原子相互排斥。若π<θ<2π,即溶质原子位于正刃型位错下方,W<0,位错和溶质原子相互吸引。所以,对于半径大的置换溶质原子,一定是位于位错受膨胀部分才比较稳定。

(4)如果ε<0,表示溶质原子溶入后晶体体积收缩,对正刃型位错而言,若π>θ>0,溶质原子位于位错上方的受压缩部分,W<0,即意味着在刃型位错压缩区将吸引比溶质原子尺寸小的溶质原子。通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物,称为“柯氏气团”,它可以阻碍位错运动,产生固溶强化效应

类似“柯氏气团”,还有“史氏气团”也产生固溶强化效应。另外“铃木气团”也产生相对较弱的固溶强化效应。

“柯氏气团”的概念最早由Cottrell提出。间隙式或者置换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时,交互能为负的情况下,溶质在基体中不会形成均匀分布(当然是指在位错应力场范围内),它们要偏聚到位错周围,形成所谓“柯氏气团”。此时,位错如果要运动就必须从气团中挣脱出来或者拖着气团一起运动。于是产生了较强的固溶强化效应。

史氏气团

”即“Snoek气团”。当间隙溶质原子在体心立方晶体中产生非对称畸变时,它既和刃型位错也和螺型位错发生交互作用。C、N原子和α-Fe中的螺型位错交互作用形成的气团,即为“史氏气团”。“史氏气团”比“柯氏气团”容易在钢铁材料中形成,但它的运动阻力和“柯氏气团”差不多。实际上,我们通常说的C(N)原子在α-Fe中形成气团,即包括这两种形式。只是从与位错的交互作用分析,我们将它们人为地分开了。气团理论由Cotrell提出,既包括了柯氏气团,也包括史氏气团。

铃木气团”与“柯氏气团”有所不同。在面心立方金属中,全位错带常可以分解为两个肖克莱位错,中间夹以层错区。在层错区原子的错排构成两个原子层厚hcp结构。溶质原子在基体中与在层错中的分布是不同的。溶质原子在层错区的偏聚可以降低层错能。如果扩展位错从富集溶质的层错中运动出来,将使系统自由能升高,外力必须克服阻力作功。溶质原子在层错中的偏聚即称为“铃木气团”。“铃木气团”是首先由Suzuki(铃木)提出来的。因为铃木气团不像柯氏气团那样产生点阵畸变,因此铃木气团不属于弹性交互作用,而被认为是一种化学的交互作用。铃木气团的阻力比较小,只有柯氏气团的1/10。[3]

假如溶质原子不是偏聚到位错周围,或者不是作有序分布,也就不形成上述的几种气团,而是以单个原子或原子团的形式无规则地在基体中分布,位错在基体中运动,也会产生交互作用。此时引起均匀固溶强化。[3]

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