Language
Country/Area
No result found
為何一些金屬能抵抗變形？揭開Cottrell大氣層的神秘面紗！
材料科學中，Cottrell大氣層的概念首次由A. H. Cottrell和B. A. Bilby於1949年提出，用以解釋某些金屬中位錯是如何被硼、碳或氮等間隙原子所固定下來的。這一現象發生在體心立方（BCC）和面心立方（FCC）結構的材料中，例如鐵或鎳，這些材質中會存在小型雜質原子。這些間隙原子略微扭曲了晶格，並在周圍產生相關的殘留應力場。隨著間隙原子向位錯的擴散，這一應力場得以緩解，因此，當原子擴散到位錯核心後，其會長時間留存下來，形成了Cottrell大氣層。
這些間隙原子的集合可有效降低位錯的能量，同時阻礙位錯的進一步運動，因此，位錯被Cottrell大氣層所“釘住”。
Cottrell大氣層還對材料的機械行為產生了重要影響。位錯被釘住意味著，在室溫下，位錯不容易被解除，因此觀察到應力—應變圖中的上屈服點。在此上屈服點之後，被釘住的位錯會成為Frank–Read源，產生新的、不被釘住的位錯，這些位錯可以自由運動，導致材料以更塑性的方式變形。經過一段時間的老化處理，當原子重新擴散到位錯的核心時，上屈服點會恢復。因此，Cottrell大氣層還會造成Lüders帶的形成，這在深拉伸和製作大板材時會成為製造上的障礙。
為了消除Cottrell大氣層的影響，某些特製鋼材會去除所有間隙原子。這些鋼材如間隙自由鋼會進行脫碳處理，並加入少量鈦以去除氮。
研究顯示，Cottrell大氣層及其引起的粘滯阻力是高溫變形中的重要因素，它使位錯運動變得更加困難。
Cottrell大氣層在高等同溫度下對材料行為的影響也極為重要。在材料經歷蠕變條件時，伴隨Cottrell大氣層存在的位錯移動會引入阻力，使得塑性變形過程變慢。此拖曳力F_drag在某些條件下可以用以下方式表示：
F_drag = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
這裡D_sol是溶質原子在母材中的擴散率，Ω是原子體積，v是位錯的速度，J是擴散通量密度，c是溶質濃度。Cottrell大氣層的存在和粘滯阻力的影響被證明在中等應力下的高溫變形過程中至關重要，也在功率法則的降解範疇中佔有一席之地。
類似現象
Cottrell大氣層雖然是普遍效應，但當條件更為特殊時，也會出現類似的相關機制。例如，Suzuki效應就表現為溶質分子向堆疊缺陷的偏析。在面心立方系統中，當位錯分裂成兩個部分位錯時，會在兩部分之間形成六方密堆積的堆疊缺陷。H. Suzuki預測，這一邊界的溶質原子濃度會與體積中不同，因此，穿越這些溶質原子的場時也會對位錯運動產生增強阻力，類似Cottrell大氣層的影響。
此外，Snoek效應則涉及在施加應力時，間隙溶質原子在α-Fe晶格中短程遷移所產生的內部摩擦，這種影響在波特或其他合金材料中也十分明顯，增加了材料的強度和韌性。
材料及未來探討的可能性
材料如金屬和半導體材料（例如硅晶體）中都會存在由Cottrell大氣層所描述的位錯，這一現象對於金屬的抗變形能力及其應用至關重要。未來，隨著對材料行為研究的深入，可以探討Cottrell大氣層在新材料設計中的應用潛力，甚至是開發出更為先進的合金以優化材料性能。
究竟未來的材料科學將如何利用Cottrell大氣層的知識來改進金屬的性能和韌性呢?
