在磁場(chǎng)中加熱對(duì)單晶鋁力學(xué)性能和位錯(cuò)密度的影響

施可琢 帥三三 雷力明 王 江 任忠鳴

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 200241）

磁場(chǎng)能有效改善材料的微觀組織和力學(xué)性能，因此已被廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)［1］。磁場(chǎng)對(duì)金屬再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大、晶體形貌、組織均勻化、相變、織構(gòu)形成等均有影響［2-6］，施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)將影響材料內(nèi)位錯(cuò)的狀態(tài)，進(jìn)而改善材料的塑性和強(qiáng)度等力學(xué)性能。近幾十年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，某些材料在磁場(chǎng)中會(huì)顯示出“磁致塑性”，其原因是磁場(chǎng)影響材料中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。

磁場(chǎng)對(duì)金屬塑性的影響最早由Kravchenko等提出［1，7］。Alshits 等［8］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)能促進(jìn)NaCl晶體中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，且這種作用已在堿金屬鹵化物中得到了證實(shí)。后來(lái)，在原子水平上的磁致塑性效應(yīng)得到了廣泛研究。Molotskii等［2，9］將Granato-Lucke的模型［10］引入Kravchenko的理論框架［7］，描述了電子云的黏度和位錯(cuò)段的振幅對(duì)位錯(cuò)內(nèi)摩擦的影響，并認(rèn)為磁場(chǎng)改變了順磁性雜質(zhì)的電子能態(tài)［11］，從而增加了位錯(cuò)釘扎點(diǎn)的退釘扎率和位錯(cuò)自由段長(zhǎng)度［12］。

近年來(lái)，有人研究了磁場(chǎng)對(duì)鎂［13］、鋁［7，14］和鈦［15-16］等固態(tài)金屬的位錯(cuò)、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，并采用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析研究了位錯(cuò)和磁致塑性［14，16-17］。然而，復(fù)雜的微觀組織和晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用使多晶合金的塑性變形機(jī)制變得非常復(fù)雜。由于單晶具有較簡(jiǎn)單的微觀組織且無(wú)晶界，能更準(zhǔn)確地表征晶體內(nèi)的位錯(cuò)分布和變化。

因此本文選用單晶鋁作為研究對(duì)象，以便更直觀地揭示由磁場(chǎng)引起的位錯(cuò)變化與力學(xué)性能改善之間的關(guān)系。將單晶鋁在交變磁場(chǎng)中加熱，檢測(cè)加熱前后單晶鋁的拉伸性能和硬度；在靜磁場(chǎng)中測(cè)定單晶鋁的硬度并計(jì)算位錯(cuò)密度；探討磁場(chǎng)影響單晶鋁力學(xué)性能的機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用改良的Bridgman方法［18］制備［001］取向的單晶鋁，其原料為純度99.99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高純鋁。交變磁場(chǎng)加熱爐的示意圖如圖1（a）所示。該裝置主要由加熱爐、磁場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制器和變壓器組成。待加熱的單晶鋁封裝在真空石英管中，爐溫由熱電偶控制，精度為±1℃。

圖1 在交變磁場(chǎng)中加熱（a）和在靜磁場(chǎng)中測(cè)定硬度（b）的示意圖Fig.1 Schematic diagrams of heating specimen in an alternating magnetic field（a）and measuring hardness in a static magnetic field（b）

為了揭示交變磁場(chǎng)和溫度對(duì)單晶鋁強(qiáng)度和塑性的影響，將試樣在交變磁場(chǎng)中加熱6 h后空冷，具體的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。采用Bruker Advance D8型X射線衍射儀以40 kV的加速電壓和40 mA的發(fā)射電流測(cè)定試樣的位錯(cuò)密度。采用MTS Criterion拉伸機(jī)在平行于［001］晶向的加載軸方向進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，初始拉伸速率為3×10－4s－1，采用12 mm 夾式引伸計(jì)。拉伸試樣標(biāo)距為25 mm，橫截面尺寸為3 mm×6 mm。每組拉伸3個(gè)試樣。

表1 施加和未施加交變磁場(chǎng)加熱單晶鋁的溫度和時(shí)間Table 1 Temperatures and durations of heating the single crystal aluminum with and without the application of alternating magnetic field

此外，為了研究靜磁場(chǎng)對(duì)單晶鋁塑性的影響，采用非磁性硬度測(cè)量裝置在靜磁場(chǎng)中測(cè)定單晶鋁的硬度。該裝置由永磁體和定制的非磁性維氏硬度計(jì)組成，能確保硬度測(cè)量的精度不受永磁體的影響，其示意圖如圖1（b）所示。通過(guò)采用不同的永磁體獲得0、0.2、0.5 和0.6 T 的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度，試驗(yàn)力0.98 N，加載時(shí)間15 s。為了分析單晶鋁在靜磁場(chǎng)中測(cè)定硬度后位錯(cuò)的變化，在49 mL HCl＋47 mL HNO3＋4 mL HF的混合溶液中蝕刻試樣1～2 s，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣表面的位錯(cuò)腐蝕坑。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原始組織

通常，金屬材料的塑性與位錯(cuò)密度密切相關(guān)。本文通過(guò)觀察試樣表面的位錯(cuò)腐蝕坑來(lái)揭示單晶鋁中的位錯(cuò)與塑性之間的關(guān)系。單晶材料中，位錯(cuò)處的能量較高，易被腐蝕。由于各向異性，晶體被腐蝕后將顯現(xiàn)不同的幾何輪廓，據(jù)此可確定單晶的取向，如（100）、（110）、（111）晶面被腐蝕后分別顯示為方形、矩形和三角形的凹坑［1，19］。因此，該方法可用于定性表征金屬材料中的位錯(cuò)密度和分布。

圖2為有蝕刻凹坑的單晶鋁試樣在掃描電子顯微鏡下的形貌。圖2（a）為低倍下位錯(cuò)腐蝕坑的分布，比較均勻。圖2（b）為位錯(cuò)腐蝕坑的高倍圖像，其輪廓類似于正方形，表明是單晶，取向?yàn)椋?01］［19-20］。

圖2 單晶鋁位錯(cuò)腐蝕坑的低倍（a）和高倍（b）形貌Fig.2 Lower-magnification（a）and higher-magnification（b）views of dislocation etch pits in the single crystal aluminum

2.2 交變磁場(chǎng)對(duì)單晶鋁力學(xué)性能的影響

圖3為施加和不施加交變磁場(chǎng)加熱至不同溫度空冷后單晶鋁的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。從圖3可見，在0.1 T交變磁場(chǎng)中加熱可提高單晶鋁的強(qiáng)度和塑性，250和325℃加熱單晶鋁的屈服強(qiáng)度分別提高了49.3%和28.1%（圖3（a）），抗拉強(qiáng)度分別提高了14.1%和2.6% （圖3（b）），斷后伸長(zhǎng)率分別提高了24.7% 和17.2%（圖3（c））?？梢?，在交變磁場(chǎng)中加熱能使單晶鋁的強(qiáng)度和塑性均得到改善。

圖3 在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中于不同溫度加熱6 h空冷的單晶鋁的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of the single crystal aluminum heated at different temperatures for 6 h in different intensities of magnetic fields，then air cooled

金屬材料的力學(xué)性能與其位錯(cuò)密度密切相關(guān)［15］。圖4為未加熱和在0.1 T交變磁場(chǎng)中不同溫度加熱后空冷的單晶鋁的X射線衍射圖譜。

圖4 未加熱和在0.1 T交變磁場(chǎng)中不同溫度加熱后空冷的單晶鋁的X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of the single crystal aluminum not heated and heated at different temperatures in magnetic field with intensity of 0.1 T，then air cooled

顯然，在交變磁場(chǎng)中加熱后，單晶鋁的衍射圖譜發(fā)生了顯著變化，其半高寬參數(shù)可用來(lái)定量表征位錯(cuò)密度［15-16］。通常，采用Dunn 公式［21］根據(jù)半高寬計(jì)算位錯(cuò)密度：

式中：ρ為位錯(cuò)密度；l為半高寬；b為Burgers常數(shù)。圖5（a）為施加和未施加交變磁場(chǎng)加熱的單晶鋁的半高寬。通過(guò)計(jì)算得出，與未施加交變磁場(chǎng)加熱的單晶鋁相比，在0.1 T交變磁場(chǎng)中于250和325℃加熱的單晶鋁的位錯(cuò)密度相應(yīng)增加了7.6%和8.3%。圖5（b）為在交變磁場(chǎng)中加熱前、后單晶鋁半高寬的差值?？梢钥闯?，在交變磁場(chǎng)中加熱的單晶鋁的半高寬差值明顯大于僅經(jīng)過(guò)加熱的單晶鋁。可以推測(cè)，在交變磁場(chǎng)中加熱的單晶鋁位錯(cuò)密度增大，產(chǎn)生了位錯(cuò)強(qiáng)化和磁致塑性效應(yīng)，因此其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均有所提高。

圖5 加熱溫度和交變磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單晶鋁半高寬（a）和半高寬差（b）的影響Fig.5 Influence of heating temperature and alternating magnetic field intensity on the full width at half maximum（a）and the difference in the full width at half maximum（b）for the single crystal aluminum

2.3 靜磁場(chǎng)對(duì)單晶鋁塑性的影響

為研究磁場(chǎng)對(duì)單晶鋁塑性的影響，在不同強(qiáng)度靜磁場(chǎng)中測(cè)定了單晶鋁的硬度，結(jié)果如圖6所示。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增加到0.6 T，單晶鋁的硬度從28.0 HV0.1 降低到了24.6 HV0.1，表明由于磁致塑性效應(yīng)，靜磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致單晶鋁的硬度降低。

圖6 靜磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單晶鋁硬度的影響Fig.6 Effect of static magnetic field intensity on hardness of the single crystal aluminum

在一定范圍內(nèi)，位錯(cuò)密度的增加能改善塑性，導(dǎo)致硬度降低［17］，即硬度較低的材料通常具有較高的位錯(cuò)密度。位錯(cuò)處的能量較高，易被腐蝕，采用合適的腐蝕方法可觀察到材料表面的位錯(cuò)腐蝕坑，可根據(jù)位錯(cuò)腐蝕坑的數(shù)量評(píng)估單晶鋁的位錯(cuò)密度和塑性。從圖7（a）可以看出，在靜磁場(chǎng)中測(cè)定硬度的單晶鋁有更多位錯(cuò)腐蝕坑，根據(jù)圖7（a）統(tǒng)計(jì)了位錯(cuò)腐蝕坑的數(shù)量。圖7（b）為位錯(cuò)腐蝕坑數(shù)量與換算后的位錯(cuò)密度。可以看出，隨著靜磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增大至0.6 T，單晶鋁中位錯(cuò)腐蝕坑的數(shù)量和位錯(cuò)密度均增大，因此可以推斷，硬度的降低與由靜磁場(chǎng)引起的位錯(cuò)密度增加有關(guān)，位錯(cuò)密度的增大導(dǎo)致了單晶鋁在受壓縮時(shí)的塑性改善。通常認(rèn)為，靜磁場(chǎng)能降低位錯(cuò)形核能、加速位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增大位錯(cuò)密度，并促進(jìn)內(nèi)應(yīng)力釋放［12］。因此，單晶鋁塑性的提高可能與靜磁場(chǎng)提高單晶鋁內(nèi)位錯(cuò)的可移動(dòng)性有關(guān)。

圖7 靜磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)單晶鋁中位錯(cuò)蝕坑的形貌和數(shù)量（a）及位錯(cuò)密度（b）的影響Fig.7 Effects of static magnetic field intensity on pattern and quantity of dislocation etch pits（a）and dislocation density（b）in the single crystal aluminum

2.4 磁場(chǎng)對(duì)量子尺度電子自旋的影響

在原子尺度上，磁場(chǎng)導(dǎo)致的位錯(cuò)密度變化可歸因于電子自旋狀態(tài)的改變［17，22］。鋁是順磁性金屬，其原子核外電子具有順磁性特征，單晶鋁中的位錯(cuò)或其他障礙同樣具有順磁性特征［14］。當(dāng)位錯(cuò)與順磁性障礙之間的距離足夠?。ㄐ∮?0－9m）時(shí)，位錯(cuò)的釘扎中心與障礙物之間的自由電子極易形成自由基對(duì)。

位錯(cuò)與障礙物之間形成的自由基對(duì)具有兩種不同的自旋狀態(tài)，即自旋方向相反的單重態(tài)（S態(tài)）和自旋方向相同的三重態(tài)（T態(tài)）［16］，通常自由基對(duì)處于S態(tài)。在這種狀態(tài)下，自旋磁矩被抵消，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更大的能量，導(dǎo)致塑性降低［12，23］。與S態(tài)相比，T態(tài)能量較低，更為穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙較少，材料具有較好的塑性。

磁場(chǎng)通過(guò)解除S態(tài)與T態(tài)間的轉(zhuǎn)化障礙來(lái)影響自由基對(duì)的形成動(dòng)力學(xué)，從而導(dǎo)致T態(tài)自由基對(duì)的增多［24］。Salikhov 等［25］提出了電子對(duì)自旋狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化的機(jī)制，稱為“Δg機(jī)制”。該機(jī)制認(rèn)為，由于磁場(chǎng)中電子對(duì)的Lande因子（g）有差異，從而產(chǎn)生Larmor進(jìn)動(dòng)頻率差，進(jìn)而改變電子對(duì)的自旋狀態(tài)。進(jìn)動(dòng)頻率表達(dá)式［25］：

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ為電子磁矩；h為普朗克常數(shù)；ωp為進(jìn)動(dòng)角頻率。當(dāng)處于S態(tài)的電子對(duì)受到磁場(chǎng)作用時(shí)，Lande因子發(fā)生變化（Δg約為10－4～10－3），使得電子對(duì)從S態(tài)向T態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率提高（從0 增大至10－9～10－8Hz）［16，26］。

此外，磁場(chǎng)也影響位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度，從而影響材料的可塑性［11］。磁場(chǎng)中位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度可按如下公式［3］計(jì)算：

式中：L0為原試樣內(nèi)位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度；LH為磁場(chǎng)中試樣內(nèi)位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度；H為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度；H0為促使位錯(cuò)從順磁性障礙處退釘扎的特征磁場(chǎng)強(qiáng)度。由式（3）可知，施加磁場(chǎng)后位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度增大。

可見，磁場(chǎng)能影響自由基對(duì)從S態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門態(tài)并增加位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度，從而促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和增殖［27］?？梢酝茢?，當(dāng)單晶鋁在交變磁場(chǎng)中加熱或在靜磁場(chǎng)中被壓縮時(shí)，自由基對(duì)可能從S態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門態(tài)，且位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度增加。因此，位錯(cuò)可能更易脫釘、運(yùn)動(dòng)加快、密度增大［11］。這是單晶鋁的塑性和強(qiáng)度均得到改善的原因。

3 結(jié)論

（1）在0.1 T交變磁場(chǎng)中于250℃加熱后空冷的單晶鋁，其屈服強(qiáng)度提高了49.3%，斷后伸長(zhǎng)率提高了24.7%，這主要是位錯(cuò)密度增大所致。

（2）當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增加到0.6 T時(shí)，在靜磁場(chǎng)中測(cè)定的單晶鋁的硬度降低了12.1%，位錯(cuò)蝕坑數(shù)量增加了33.1%，顯示出了磁致塑性效應(yīng)。

（3）施加磁場(chǎng)能促進(jìn)自由基對(duì)電子自旋狀態(tài)的改變，增加位錯(cuò)的自由段長(zhǎng)度，從而促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，改善了材料的塑性。