第11期 李东等：映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响 。1107。 3自由表面内的刃位错的攀移 错的临界距离为1.264m,在此距离的刃位错的初 始攀移速度为1.756×100m·s1,即距表面 在一定温度下映像力会使滑移面平行于自由表 1.264X106m厚的刃位错可能攀移出来可以判 面的直刃位错以一定速度V。向表面攀移，即V。 断当纯铝长时间在高温下时，表层刃位错将有一部 为四： 分攀移出来. 2D.(T)on1 当直刃位错的位错线平行于自由表面而滑移面 Va-bln(R/ro)kTco 6) 不平行于自由表面时，如图(2)所示，根据文献[11] 式中，ln(R/ro)可假设为l0山，无外力作用下时晶 中映像位错作用使刃位错攀移的应力σc为： 体中原来的空位浓度是平衡浓度，即G=0,D(T) Gbcos 为铝的自扩散系数，且有D,(T)=Doexp(-Q/ o=4纸Lp(1-以 (10) RT),纯铝的扩散常数Do=171×106m2·s1、扩 结合式(2)可得滑移面与自由表面夹角为中的 散激活能Q=142kJmo厂1,2=1.225×1029 直刃位错的临界攀移距离Lp为： m3为单个原子体积，o11为映像位错的映像力Fim所 Lp=dpecos中 (11) 造成的刃位错攀移的正应力，且有： 对于柏氏矢量为110]和滑移面为(111)的直 =6-g-户5 G品 (7) 刃位错，满足[112](mnp)条件的自由表面有 (111)、(110)、(312)和(241).这时当在温度600K、 式中，S为位错的攀移距离.把式(7)代入式(6)得： 时间Ih时的os中值和这时的临界攀移距离L。如 PnS=1795.09D( T (8) 表4所示. 可见式(8)中VS为温度的函数.对攀移速度 表4表面晶体学指数与位错线平行于表面的刃位错临界攀移距离 V'n有dS=Vdt,代入式(8)积分化简得攀移距离 关系(dp=1264m) Table 4 Relation between the surface crystal indices and the critical S: slip distance of straight edge dislocation whose dislocation line parallels to surface(dp=1 264m) S= N359018,D T (9) 自由表面晶面sLJμm 自由表面晶面os单L/严m 攀移时间t=1h时的S为临界攀移距离dpe (111) 1.264 (312) 42/71.170 这时的初始攀移速度Vmc如表3所示. (110) 0 0 (241) 7/70478 表3不同温度下1时间里的刃位错的临界攀移距离及初始攀移 速度 在低温下有一部分位错线和滑移面都不平行于 Table 3 Critical climb distance and initial climb speed of edge disoca- 自由表面的刃位错能稳定存在于表层中.在高温下 tion at different temperatures in 1 h 映像力首先通常会使这些刃位错靠近表面的一端攀 温度， 自扩散系数 临界攀移距 初始攀移速度， 移出表面，位错在攀移过程中位错线会向自由表面 T/K D/(m2.s) 离，d/m V/(m"s) 弯曲，从而使位错处于稳定组态.这时自由表面存 300 3.219X10T9 1.17810-6 1.636×10-16 在稳定的刃位错组态为位错线垂直于自由表面而滑 600 7.419X10rn 1.264 1.756X×10-10 移面也垂直于自由表面，该刃位错将不可能滑移或 700 4330X10T5 &941 1.242X10-9 攀移出自由表面.纯铝表面在不同温度下通常会生 800 9.141×10厂4 3843 5.338X10-9 成不同厚度的氧化膜，氧化膜会影响到表层中位错 900 9.800X10厂B 1186 1.648X10-8 的映像力及应力状态，这时的位错组态有待深入 研究. 当直刃位错的滑移面和自由表面平行时，可以 看出温度升高时，临界攀移距离和初始攀移速度都 4结论 相应升高很快.室温300K时，表面能攀移位错距 映像力会造成纯铝低维材料的低位错态，使其 离为1.178×106m,远小于一个原子间距，这时 力学性能大为增加.常温下映像力会使晶体中靠近 的初始攀移速度很慢为1.636×1016ms,可以 表面的直位错产生滑移，造成纯铝表面有一层微米/ 认为在室温附近温度下的表面刃位错不发生攀移： 亚微米级的低位错密度区.长时间在高温下映像力 当温度在600K时，在1h内表面能攀移出的直刃位 会使表层中一部分刃位错攀移出来位错密度进一3 自由表面内的刃位错的攀移 在一定温度下映像力会使滑移面平行于自由表 面的直刃位错以一定速度 Vn 向表面攀移, 即 Vn 为[ 12] : Vn = 2πDs( T) σ11 Ψ bln( R/ r 0) kT + δc c0 ( 6) 式中, ln( R / r 0)可假设为 10 [ 11] , 无外力作用下时晶 体中原来的空位浓度是平衡浓度, 即 δc =0, Ds( T ) 为铝的自扩散系数, 且有 Ds( T ) =D0exp( -Q/ R T), 纯铝的扩散常数 D0 =171 ×10 -6 m 2·s -1 、扩 散激活能 Q =142 kJ·mol -1[ 13] , Ψ=1.225 ×10 -29 m 3 为单个原子体积, σ11为映像位错的映像力 F im所 造成的刃位错攀移的正应力, 且有 : σ11 =σim = Fim b = Gb 4π( 1 -υ) S ( 7) 式中, S 为位错的攀移距离.把式( 7) 代入式( 6) 得: V n S =1 795.09 Ds( T) T ( 8) 可见式( 8) 中 Vn S 为温度的函数.对攀移速度 Vn 有 dS =V ndt, 代入式( 8) 积分化简得攀移距离 S : S = 3 590.18 t Ds( T) T ( 9) 攀移时间 t =1 h 时的 S 为临界攀移距离 dpc, 这时的初始攀移速度 Vnc如表 3 所示. 表 3 不同温度下 1 h 时间里的刃位错的临界攀移距离及初始攀移 速度 Table 3 Critical climb distance and initial climb speed of edge disloca￾tion at different temperatures in 1 h 温度, T/ K 自扩散系数, Ds/( m 2·s -1 ) 临界攀移距 离, d pc /μm 初始攀移速度, V nc/ ( m·s -1 ) 300 3.219×10-29 1.178×10 -6 1.636×10 -16 600 7.419×10-17 1.264 1.756×10 -10 700 4.330×10 -15 8.941 1.242×10 -9 800 9.141×10 -14 38.43 5.338×10 -9 900 9.800×10 -13 118.6 1.648×10 -8 当直刃位错的滑移面和自由表面平行时, 可以 看出温度升高时, 临界攀移距离和初始攀移速度都 相应升高很快 .室温 300 K 时, 表面能攀移位错距 离为 1.178 ×10 -6 μm, 远小于一个原子间距, 这时 的初始攀移速度很慢为 1.636 ×10 -16 m·s -1 , 可以 认为在室温附近温度下的表面刃位错不发生攀移 ; 当温度在 600 K 时, 在 1 h 内表面能攀移出的直刃位 错的临界距离为 1.264 μm, 在此距离的刃位错的初 始攀移速度为 1.756 ×10 -10 m ·s -1 , 即距表面 1.264 ×10 -6 m 厚的刃位错可能攀移出来, 可以判 断当纯铝长时间在高温下时, 表层刃位错将有一部 分攀移出来 . 当直刃位错的位错线平行于自由表面而滑移面 不平行于自由表面时, 如图( 2)所示, 根据文献[ 11] 中映像位错作用使刃位错攀移的应力 σc 为: σc = Gbcos 4πLp( 1 -υ) ( 10) 结合式( 2)可得滑移面与自由表面夹角为 的 直刃位错的临界攀移距离L p 为: Lp =dpccos ( 11) 对于柏氏矢量为[ 1 1 - 0] 和滑移面为( 111) 的直 刃位错, 满足[ 11 2 - ] ∥( m n p ) 条件的自由表面有 ( 111) 、( 11 - 0) 、( 312)和( 2 - 41) .这时当在温度 600 K 、 时间 1 h 时的 cos 值和这时的临界攀移距离 Lp 如 表 4 所示. 表 4 表面晶体学指数与位错线平行于表面的刃位错临界攀移距离 关系( d pc=1.264μm) Table 4 Relation between the surface crystal indices and the criti cal slip distance of straight edge dislocation whose dislocation line parallels to surface( d pc=1.264μm) 自由表面晶面 cos Lp/μm ( 111) 1 1.264 ( 1 1 - 0) 0 0 自由表面晶面 cos Lp/μm ( 312) 42/ 7 1.170 ( 2 - 41) 7/ 7 0.478 在低温下有一部分位错线和滑移面都不平行于 自由表面的刃位错能稳定存在于表层中.在高温下 映像力首先通常会使这些刃位错靠近表面的一端攀 移出表面, 位错在攀移过程中位错线会向自由表面 弯曲, 从而使位错处于稳定组态.这时自由表面存 在稳定的刃位错组态为位错线垂直于自由表面而滑 移面也垂直于自由表面, 该刃位错将不可能滑移或 攀移出自由表面.纯铝表面在不同温度下通常会生 成不同厚度的氧化膜, 氧化膜会影响到表层中位错 的映像力及应力状态, 这时的位错组态有待深入 研究. 4 结论 映像力会造成纯铝低维材料的低位错态, 使其 力学性能大为增加 .常温下映像力会使晶体中靠近 表面的直位错产生滑移, 造成纯铝表面有一层微米/ 亚微米级的低位错密度区.长时间在高温下映像力 会使表层中一部分刃位错攀移出来, 位错密度进一 第 11 期 李 东等:映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响 · 1107 ·