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了解位错与杂质的奇妙舞蹈：Cottrell大气层的角色是什么？
在材料科学中，Cottrell大气层的概念最早由A. H. Cottrell与B. A. Bilby于1949年提出，旨在解释某些金属如何被硼、碳或氮的间隙杂质所固定的位错现象。这种大气层出现在体心立方（BCC）和面心立方（FCC）材料中，例如铁或镍，并与小型杂质原子（如硼、碳或氮）有关。当这些间隙原子稍微扭曲了晶格时，会在间隙原子的周围产生一个相关的残余应力场。这个应力场可以通过间隙原子向位错核心扩散来放松，而位错核心处的结构较为开放，造成间隙原子的扩散成为可能。
当原子扩散到位错核心后，这个原子将保持在此处，通常每个位错的晶格平面只需要一个间隙原子。
这个过程中，聚集在位错核心周围的溶质原子便形成了Cottrell大气层。这些溶质原子在位错处的聚集，帮助缓解了与位错相关的应力，降低了位错存在的能量。因此，位错要从这个Cottrell大气层中移动，将会导致能量的增加，这使得位错在晶体里不易向前移动。结果，位错被Cottrell大气层有效钳制。
一旦位错被固定，将需要很大的外力才能将其解释并产生屈服，因此在室温下，这些位错通常不会被解释。这产生了在应力-应变图中观察到的上屈服点。在此上屈服点之后，受到钳制的位错将作为Frank–Read源来产生新位错，这些新位错将不被钳制，并能自由地在晶体中移动，导致随后的屈服点降低，材料会以更塑性的方式变形。
长时间放置样品，使其在室温下自然老化，可以让碳原子再次扩散回到位错核心，从而恢复上屈服点。
Cottrell大气层会导致Lüders带的形成，以及对深拉伸和大板材成形的高需求力，这对生产构成了障碍。有些钢材的设计是为了消除Cottrell大气层的影响，例如去碳化的间隙自由钢，并通过添加少量钛来去除氮。
此外，Cottrell大气层对材料在高准同温度下的行为也有重要影响，也就是在材料处于蠕变条件下。与Cottrell大气层相关的位错运动会产生黏性阻力，这种有效的摩擦力使得位错运动变得更困难（从而减缓塑性变形）。这种阻力可以用以下方式表达：
F_{drag} = \frac{kT\Omega}{vD_{sol}} \int \frac{J \cdot J}{c} dA
这里，Dsol是溶质原子在基体材料中的扩散性。 Cottrell大气层的存在及其产生的黏性阻力在中等应力下的高温变形中被证明是相当重要的，并且对功率律破坏阶段有所贡献。
类似现象
虽然Cottrell大气层是一个普遍的效应，但在某些专门环境中，还会发生其他相关机制。
Suzuki效应
Suzuki效应以溶质原子在堆叠缺陷的偏析为特征。当FCC系统中的位错劈裂成两个部分位错时，中间会形成一个六方紧密堆积（HCP）的堆叠缺陷。这使得H. Suzuki预测在此边界的溶质原子浓度会与体相不同。这个溶质原子的领域会类似于Cottrell大气层，对位错产生类似的阻力。 Suzuki在1961年观察到了这种偏析现象。
Snoek效应
在施加的应力下，间隙固溶体原子（如碳和氮）能在α-Fe（BCC金属）晶格中进行迁移。这些碳和氮的短程迁移产生了内部摩擦或弹性效应，称为Snoek效应。 Snoek效应在1941年被J. L. Snoek发现。
举例来说，当样品在氢与氨（或一氧化碳）的混合气中加热，直到达到稳定状态时，可以估算出过程中所吸纳的碳和氮的质量变化。
这些现象的发现不仅改善了对可浓解溶质的理解，也为现代材料科学的发展提供了重要的理论基础和应用潜力。 Cottrell大气层的作用于何种材料中更具影响？
