林位错(dislocation forest )是指与主滑移系统相交的次滑移系统上的位错。也可理解为对于正在滑移面上运动的位错来说,穿过此滑移面的其他
位错林。林位错的存在会阻碍位错的运动,但是若应力足够大,滑动的位错将切过林位错而继续前进。位错互相切割的过程称为位错交割。例如两个刃型位错交割后,对不动的刃型位错将产生一小段位错(称为位错割阶),它的柏氏矢量等于正在滑动的刃型位错的柏氏矢量。
互作用机制
形变时晶体可能有多个滑移系统起作用。不同滑移系统增殖的位错可以起到障碍作用。假定阻碍位错滑移运动的主要是与主滑移系统相交的次滑移系统上的位错(称为林位错)。当滑移位错与林位错相交后可能引起割阶或反应形成新的位错或绕过林位错增长了位错线。不管哪种情况都需要消耗能量。滑移过程中林位错密度增加,因此割阶数目增加、新位错增多或者位错线增长,都导致阻力增大。
交割所需应力
设有些位错和滑移面垂直,它们是不动的,这些位错象平地上的树林,故称林位错。如果滑移面上另有一个滑动的位错,它的运动必须和林位错交割形成割阶。我们要计算和林位错交割所需的应力,这也是金属流变的一种简单图象。
图1表示运动中的位错和林位错交割。 设林位错本身的宽度为d,它们之间的平均距离为l。割阶的长度将为d,此处割阶的形成能应为。若所要计算的交割切应力为τ,运动中位错线段平均长度为l,每次交割一族林位错,每次扫过的面积在图1中用平行线划出。外应力所做的功应等于割阶的形成能,故有:
硬化理论
以前在用
电子显微镜观察形在金属时,人们提出了林位错模型。在一般的具有中等的或较低的堆垛层错能的金属中(如铜、银、金等),利用电子显微镜观察不到位错塞积群,但是却可以观察到形成复杂的位错网络。在具有极低的堆垛层错能的金属中(如奥氏体钢,α-黄铜、铝青铜合金等),我们可以观测到位错塞积群的排列,但是它们只是在品界处而不是在晶粒的内部。因为尚无证据可以表明洛奠-柯垂耳障碍长到足以阻塞住位错塞积群,这便可以证实上述的观察。
在所有的具有低堆垛层错能的金属中,位错都较有特征地排列在一种很厚的纠结区中,这种纠结区可以把位错较少的晶体区域分隔开来。
如图2所表明的那样,我们可以认为位错纠结是在应力弛豫过程中产生的。在图2中,位错塞积群产生的长程应力可以引起滑移。而这种滑移是在导致产生位错网络的第二滑移系上发生的。在撤除应力之后这种位错网络是稳定的,并且可以引起硬化。如果位错塞积群产生的应力由于网络的形成而出现弛豫(这正是大多数金属所表现出的情况)。那么林位错的密度总是大体上与原始位错的密度相同的。因此在林位错的模型中。最重要的是林位错并不是所假定的原始位错,而且流变应力的一部分τg,被认为是原始位错克服林位错的弹性应力场所需的应力,而流变应力的另一部分τs,被认为是原始位错切割位错纠结区而形成割阶所需的应力。
林位错的理论认为,硬化的第二阶段完全是由林位错所引起的,这就解释了如下的实验观测:流变应力中与温度有关的部分的增加是和与温度无关的部分的增加成正比的。这两种效应都是由于同一种障碍(林位错)所产生的,因而流变应力可以写作:
式中ρf为林位错密度。如第二阶段硬化时位错分布的几何特点保持不变,ρf和原滑移系统中位错密度ρ便应有下述两关系:
式中k1同k2为两比例常数,2L设想为每一位错源激活后所产生的正方形位错环的边长。再令dN为在应变dε中单位体积所激活的位错源数,n为单位长滑移线上的位错数,便可得下述两关系式:
由上五式不难得到第二阶段硬化系数: