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了解位錯與雜質的奇妙舞蹈：Cottrell大氣層的角色是什麼？
在材料科學中，Cottrell大氣層的概念最早由A. H. Cottrell與B. A. Bilby於1949年提出，旨在解釋某些金屬如何被硼、碳或氮的間隙雜質所固定的位錯現象。這種大氣層出現在體心立方（BCC）和面心立方（FCC）材料中，例如鐵或鎳，並與小型雜質原子（如硼、碳或氮）有關。當這些間隙原子稍微扭曲了晶格時，會在間隙原子的周圍產生一個相關的殘餘應力場。這個應力場可以通過間隙原子向位錯核心擴散來放鬆，而位錯核心處的結構較為開放，造成間隙原子的擴散成為可能。
當原子擴散到位錯核心後，這個原子將保持在此處，通常每個位錯的晶格平面只需要一個間隙原子。
這個過程中，聚集在位錯核心周圍的溶質原子便形成了Cottrell大氣層。這些溶質原子在位錯處的聚集，幫助緩解了與位錯相關的應力，降低了位錯存在的能量。因此，位錯要從這個Cottrell大氣層中移動，將會導致能量的增加，這使得位錯在晶體裡不易向前移動。結果，位錯被Cottrell大氣層有效箝制。
一旦位錯被固定，將需要很大的外力才能將其解釋並產生屈服，因此在室溫下，這些位錯通常不會被解釋。這產生了在應力-應變圖中觀察到的上屈服點。在此上屈服點之後，受到箝制的位錯將作為Frank–Read源來產生新位錯，這些新位錯將不被箝制，並能自由地在晶體中移動，導致隨後的屈服點降低，材料會以更塑性的方式變形。
長時間放置樣品，使其在室溫下自然老化，可以讓碳原子再次擴散回到位錯核心，從而恢復上屈服點。
Cottrell大氣層會導致Lüders帶的形成，以及對深拉伸和大板材成形的高需求力，這對生產構成了障礙。有些鋼材的設計是為了消除Cottrell大氣層的影響，例如去碳化的間隙自由鋼，並通過添加少量鈦來去除氮。
此外，Cottrell大氣層對材料在高準同溫度下的行為也有重要影響，也就是在材料處於蠕變條件下。與Cottrell大氣層相關的位錯運動會產生黏性阻力，這種有效的摩擦力使得位錯運動變得更困難（從而減緩塑性變形）。這種阻力可以用以下方式表達：
F_{drag} = \frac{kT\Omega}{vD_{sol}} \int \frac{J \cdot J}{c} dA
這裡，Dsol是溶質原子在基體材料中的擴散性。Cottrell大氣層的存在及其產生的黏性阻力在中等應力下的高溫變形中被證明是相當重要的，並且對功率律破壞階段有所貢獻。
類似現象
雖然Cottrell大氣層是一個普遍的效應，但在某些專門環境中，還會發生其他相關機制。
Suzuki效應
Suzuki效應以溶質原子在堆疊缺陷的偏析為特徵。當FCC系統中的位錯劈裂成兩個部分位錯時，中間會形成一個六方緊密堆積（HCP）的堆疊缺陷。這使得H. Suzuki預測在此邊界的溶質原子濃度會與體相不同。這個溶質原子的領域會類似於Cottrell大氣層，對位錯產生類似的阻力。Suzuki在1961年觀察到了這種偏析現象。
Snoek效應
在施加的應力下，間隙固溶體原子（如碳和氮）能在α-Fe（BCC金屬）晶格中進行遷移。這些碳和氮的短程遷移產生了內部摩擦或彈性效應，稱為Snoek效應。Snoek效應在1941年被J. L. Snoek發現。
舉例來說，當樣品在氫與氨（或一氧化碳）的混合氣中加熱，直到達到穩定狀態時，可以估算出過程中所吸納的碳和氮的質量變化。
這些現象的發現不僅改善了對可濃解溶質的理解，也為現代材料科學的發展提供了重要的理論基礎和應用潛力。Cottrell大氣層的作用於何種材料中更具影響？
