為什麼fcc晶體金屬在極低的溫度下保持延展性而bcc和hcp會發生延性脆性轉變

時間 2021-05-12 04:52:58

1樓:Dr.張狒狒

首先,常溫下延展性嘛,你把bcc的密排面和fcc的密排面拉出來看一看,看哪個結構看起來穩定?最密堆積還是最穩定的嘛,畢竟等徑球模型對絕大多數最外層為s電子的金屬還是很保真的,當然,最外層有p電子的金屬就不一定了。

hcp的問題在於很難保證它是完美的hcp結構,就是c/a比的問題,如果不是接近完美的c/a比,那在低溫下就只有乙個基面可以作為滑移面進行滑移,而高溫下c/a比會發生一定變化,提高延展性。

(課後思考題:所以為什麼同樣是等徑球模型,各金屬會有不同的結構?)

至於韌脆轉變嘛。

分子模擬的形變實驗中,FCC即使在極低溫度下依然可以生成partial dislocation(半位錯)。

在分子模擬中,我們觀察到的主要是這種stacking fault(層錯)在容納機械拉伸所造成的形變。或者說,如果結構限制了重排,當拉應力做的功(彈性勢能)大於等於表面能的時候,便會在材料內部生成表面,產生斷裂,這種斷裂就是脆性的啦。

所以啊,分子模擬拉出來的應力應變曲線通常都是上圖這樣鋸齒狀的。沒有缺陷和雜質的純金屬在分子模擬中都表現了極好的延展性,fcc金屬中更多生成的是partial dislocation,而bcc金屬由於密排面結構的原因並不容易進行partial slip形成partial dislocation,更多的是full slip <110>。

重排形成層錯是需要耗能的,生成這種stacking fault的能量稱為stacking fault energy(層錯能),其實也不是所有的fcc金屬都有極低的層錯能。

partial dislocation能量低,full dislocation能量高,相對應的,生成full dislocation的時候,更容易積累達到在某些位置生成表面的能量,進而直接快進到脆性斷裂。

另一方面,partial dislocation形成過程不太容易在晶界積累「多餘空間」(excess volume)畢竟位移小,而full dislocation更容易在晶界留下一些空位。這些空位嘛,自然是會產生應力集中進而生成微裂縫啦,微裂縫擴張也就脆性斷裂了。

高溫下,原子間距離遠了,作用力沒有那麼強了,滑移/重排容易發生了,彈性勢能不容易積累了,表面不容易在材料內部形成了,自然就不容易發生脆性斷裂了。

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