位错理论的提出

材料史话（2）-位错理论的提出精选

已有 3009 次阅读2013-6-13 23:58|个人分类:材料史话|系统分类:科普集锦|关键词:位错

如果金属晶体受外加载荷或力的作用，位错运动并穿过晶体，那么将引起一个永久性的形状变化，即：塑性变形。其结果是在晶体表面出现了明显的滑移痕迹-我们称之为滑移线。

图1 金属拉伸变形后产生的滑移线（图片来自网络）1907年，沃尔特拉（Volterra）解决了一类弹性体中的内应力不连续的弹性问题，把它称为位错。

1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异。理论计算值为G/30；而实际屈服强度比理论值低3～4个数量级。

1934年，波朗依（Michael Polanyi, 1891-1976）、泰勒(Geoffrey Taylor, 1886-1975)、奥罗万(Egon Orowan, 1902-1989)几乎在同时获得了相同的结果，这一年发表的论文提出位错了的模型。特别是泰勒明确地把沃尔特拉位错引入晶体。

图2 （a）Orowan描绘的刃位错（b）Taylor描绘的刃位错

位错理论认为，晶体实际滑移过程并不是滑移面两边的所有原子都同时做整体刚性滑动，而是通过在晶体存在的称为位错的线缺陷来进行，位错在较低应力作用下就开始移动，使滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都先后发生相对位移。

Taylor确定应变储存能储存于晶体缺陷处，以弹性畸变能的形式存在。

Orowan对他所观察到Zn晶体受到应力变形时，这种变形是不连续的，而是以不连续跳跃的方式进行。推定每一次形变“跳跃”必定来源于晶体缺陷的运动。

Polanyi的论文完成比Orowan 早几个月，但那时已与Orowan定期接触，了解他的想法，自愿等待一段时间，以便同时提交论文，并约定在同一期德文《物理杂志（Zeitschrift Fuer Physik）》并排发表。

Polanyi后来放弃了晶体塑性研究，成为哲学家；

Taylor在单晶和多晶力学分析方面以及加工硬化方面做了大量工作。

Orowan坚持位错研究，在位错运动与其它位错的交互作用以及晶体内部粒子对运动位错阻碍的理论分析方面，提出了许多有重大影响的新思想。

1939年，柏格斯(J.M. Burgers)提出用伯氏矢量表征位错，同时引入了螺位错。

1940年，皮尔斯（Peierls）提出后来1947年由纳巴罗（Nabarro）修正的位错点阵模型，这个模型突破了一般弹性力学范围，提出了位错宽度的概念，估算了位错开动的应力。

1947年，柯垂耳(Cottrel )提出溶质原子与位错的交互作用。并以解释低碳钢的屈服现象，第一次成功地利用位错理论解决机械性能的问题。

1947年，肖克莱（Shockley）描绘了面心立方形成扩展位错的过程。

1950年，弗兰克（Frank）和瑞德（Read）同时提出位错增殖机制。

图3弗兰克（Frank）和瑞德（Read）位错增殖机制（此图来自网

络）

图5 Frank演讲

1953年，奈（Nye）和1954年比尔拜（Bilby）以及以后的克朗尼（Kroener）提出无限小位错模型。1950年，Frank预测了晶体表面的螺旋生长，并被印度物理学者Ajit Ram Verma用普通光学显微镜成功地观察到第一条螺旋线。论文发表在《Nature》。同时紧邻的论文是比利时的Severin Amelinckx。图5为碳化硅晶体上生长的一条螺旋线，起始于一个螺型位错

图5碳化硅晶体上生长的一条螺旋线

1956年，门特（Menter）直接在电镜观察了铂钛青花晶体中位错的存在，同年，赫希（Hirsch）等应用相衬法在TEM中直接观察到了晶体中的位错。

图6（a）Peter Hirsch的肖像，（b）（Ni，Fe）Al金属间化合物中亚晶界处位错的TEM

（图片及文字资料来源：走进材料科学，杨柯译，化学工业出版社，2008）