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工程材料 授課老師：連振昌 工程材料 第七章差排與強化機構 (Dislocation and Strengthening Mechanisms ) 7.1簡介（ Introduction ） 第六章說明材料可能產生兩種變形：彈性與塑性變形 ，塑 性變形是永久性的，而強度與硬度係材料對此種變形產生 阻力的量測。 在微觀上，塑性變形相當於受到外加應力後，大批原子的 淨位移。在這個變形程中，原子間的鍵必須破壞並重新形 成。在固態晶體中，塑性變形經常伴隨著差排的運動。 本章將探討差排的特性以及它在塑性變形中的種種現象， 並提出數種強化單相金屬的技術，並以插排觀念來描述強 化機構，最後再探討回復與再結晶、晶粒成長 差排與塑性變形(Dislocation and Plastic Deformation) 早期材料的研究所計算出完美結晶強度的理論值，但此計 算值卻比實際實驗值大出好幾倍。以上機械性質的差異， 可以由一種後來被稱為 差排的線結晶缺陷來解釋。直到 1950年代 ，差排缺陷的存在可由電子顯微鏡來觀察 ，解釋 了許多金屬的物理和機械現象。 7.2 差排的基本概念（Basic Concepts ） 刃狀和螺旋是兩種差排的基本形式。在結晶材料中許多差 排同時包含刃狀和螺旋的部分，則是混合差排 塑性變形相當於大批差排的運動。刃狀差排受到垂直於差 排線方向的剪應力作用產生移動，其移動的方式可參見圖 7.1 。最後，這個多出的半個平面在晶體的右表面出現，形 成一個原子距離寬度的邊緣，如圖7.1c所示。 圖 7.1 刃狀差排當它受剪應力作用而移動時，伴隨其移動所衍 生的原子之重組。 圖 7.1 刃狀差排當它受剪應力作用而移動時，伴隨其移動所衍 生的原子之重組。（a ）多出的半個平面原子標示為A 。 （b ）差排向右移動一個原子距離，使A連結 B 平面的 下半部；如此一來，B的上半部就變成多出半個平面。 （c ）多出的半個平面使晶體表面形成了一階 這種由於差排運動造成塑性變形過程稱為滑移 （slip ），而 沿著差排線橫越的結晶學平面稱為滑移面 （slip plane ）， 如圖 7.1所示。 差排受剪應力作用產生移動或滑移所造成的永久變形 ，其 巨觀的塑性變形其巨觀塑性變形簡化外型示於如圖 7.2a所 示。 圖 7.2 （a ）刃狀差排在晶體表面所造成一種階梯之形成。 刃狀差排的差排線沿剪應力τ之作用方向移動 圖 7.2 藉著（a ）刃狀差排（b ）螺旋差排的移動在晶體表面所 造成一種階梯之形成。刃狀差排的差排線沿剪應力τ之作用 方向移動，而螺旋差排的差排線移動則垂直於應力方向 差排運動可以類此於毛蟲的蠕動模式（圖7.3 ）。 圖 7.3 毛蟲和差排運動類此示意圖 毛毛蟲藉著曳拉其最後雙足產生一單位足長距離而在尾端 形成凸峰，毛毛凸峰相當於差排的原子多餘平面，藉由動 覆移動其雙足，此凸峰可往前推進，當凸峰到達前端整隻 毛毛蟲已移動一足間距離。 螺旋差排受剪應力而產生的運動顯示於圖 7.2b ，其移動方 向 垂直於剪應力方向。對刃狀差排而言，其移動則平行於 剪應力，不過兩種不同差排運動所造成的淨塑性變形都是 一樣的 （見圖7.2 ）。混合差排的運動方向既非垂直也非平 行於施加應力，而是介於兩者之間。 圖 7.2 藉著（b ）螺旋差排的移動在晶體表面所造成一種階梯 之形成。螺旋差排的差排線移動則垂直於應力方向 所有金屬和合金都含有一些差排，這些差排可能來自 凝固 過程 、塑性變形以及因為急速冷卻導致的熱應力 。 在材料內的差排數量，或是差排密度(dislocation density) ， 是以單位體積內的差排總長度來表示，或相當於任意截 面，差排與單位面積相交的差排個數。 差排密度的單位為每立方厘米分之（差排線長）厘米或者 每平方厘米分之一，也就是每平方厘米分之一。 3 一般小