交變磁場對多晶純鋁位錯密度及顯微硬度的影響

詹同軍 何盛亞 李永成 玄偉東 任忠鳴 李傳軍

（1.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；2.上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室，上海 200444；3.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444）

20世紀60年代初［1-3］，學者們發現磁場可以影 響 位 錯 運 動 和 塑 性 變 形。1970 年，Kravchenko［4］第一次提出了磁場可以影響金屬的塑性，并推導了磁場下電子對位錯運動的減速作用力。然而，1987年，Al’shits等［5］發現，在沒有外加應力的情況下，磁場可以驅動NaCl單晶體內的位錯移動。Molotskii等［6］發現，磁場可以促進金屬中位錯的運動，并基于位錯芯與順磁性障礙相互作用，推導了自由位錯長度隨磁場強度的變化關系。李紅旗等［7］首次采用透射電鏡原位觀察了磁場作用下Fe-Ni合金中位錯的發射及運動規律。劉兆龍等［8］指出，磁場作用下，順磁性障礙物釘扎區的位錯芯發生膨脹，晶格點陣對滑移的阻力下降，位錯更容易移動。王宏明等［9］發現，經脈沖磁場處理后，鋁基復合材料中位錯密度增加、力學性能得到改善。李傳軍等［10-11］發現，磁致塑性效應誘發擴散偶中位錯密度增加，這為原子擴散提供了高速擴散通道，從而提高了原子的擴散速率。這些研究充分說明磁場能夠影響位錯運動進而改善材料的塑性。但是目前關于磁場作用下金屬體系中位錯密度及力學性能變化規律的研究報道較少。因此，本文研究了交變磁場對形變純鋁中位錯密度及顯微硬度的影響機制。

1 試驗材料及方法

試驗材料為多晶高純鋁（99.999%，質量分數），其化學成分如表1所示，試樣尺寸為8 mm×8 mm×5 mm，初始平均晶粒尺寸為150μm。

為了消除殘余應力對后續試驗結果的影響，并確保試樣初始位錯密度的一致性，對試樣進行退火處理，退火溫度為400℃，退火時間為8 h。然后將試樣壓縮形變30%以產生一定數量的位錯。再將壓縮后的試樣真空封裝在石英管中，進行有、無交變磁場的退火處理，退火溫度為200℃，退火時間為1 h，試樣的頂端位于磁場強度最大的位置。交變磁場退火試驗裝置如圖1所示。采用S型熱電偶監控溫度，測溫精度為±1℃。

表1 多晶純鋁的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the pure polycrystalline aluminum（mass fraction） %

圖1 交變磁場退火試驗裝置Fig.1 Annealing equipmentwith an alternatingmagnetic field

退火試樣經打磨、機械拋光后，再進行電解拋光，工作電壓為38 V，拋光時間約20 s，拋光液溫度低于10℃，電解液成分是無水乙醇（72 ml）+高氯酸（8 ml）+乙二醇丁醚（20 ml）。之后依次用酒精、丙酮超聲清洗試樣60 s，最后保存于酒精溶液中用于隨后的分析測試。

采用Bruker D8 Advance X射線衍射儀測量衍射峰的寬度，以Cu-Kα為射線源，工作電壓40 kV，工作電流40 mA，掃描步長0.02°。采用粗掃（6（°）／min）和精掃（0.2（°）／min）兩種掃描速率。粗掃角度（2θ）范圍為10°～90°，出現了（111）、（200）、（220）和（311）晶面的特征衍射峰；對特定的衍射峰進行精掃以獲得準確的衍射峰半高寬（full width at half maximum，FWHM）。最后使用MH-3L型硬度計測量顯微硬度，試驗力300 g（2.94 N），保載時間15 s，每個試樣測量8點，取平均值。

2 結果與討論

2.1 交變磁場磁感應強度對純鋁位錯密度的影響

圖2是不同強度交變磁場下退火的多晶純鋁試樣的XRD譜圖和（200）晶面的衍射峰。從圖2（a）可以看出，有、無交變磁場處理的純鋁的衍射峰位置一致，其中（200）晶面衍射峰的半高寬則隨磁感應強度的增加而變寬（圖2（b））。

用Jade 5.0軟件進一步獲取衍射峰的半高寬數據，如圖3所示。對比發現，（200）晶面衍射峰的半高寬隨磁感應強度的增加而增大。

圖2 有、無交變磁場退火的多晶純鋁試樣的XRD譜圖（a）和（200）晶面衍射峰（b）Fig.2 XRD patterns（a）and（200）diffraction peaks（b）of pure polycrystalline aluminum samples annealed with and without alternatingmagnetic field

圖3 有、無交變磁場退火的多晶純鋁（200）晶面衍射峰的半高寬Fig.3 FWHM of（200）diffraction peaks of pure polycrystalline aluminum annealed with and without alternatingmagnetic field

為了定量地表征位錯密度隨交變磁場強度變化的規律，由半高寬β可計算出試樣內位錯密度ρ，計算 Dunn公式［12-14］：

式中b是位錯的柏格斯矢量，純鋁的柏氏矢量為0.286 nm［15］。由式（1）可知，位錯密度與衍射峰半高寬的平方成正比。圖4是純鋁試樣（200）晶面位錯密度隨交變磁場磁感應強度的變化。與無磁場退火的相比，相同退火條件下施加0.05和0.1 T磁場后，試樣的位錯密度分別增加了5.4%和9.9%。因此，不同磁場條件下退火后試樣的位錯密度隨交變磁場磁感應強度的增加而增大。該現象與其他合金體系經交變磁場處理后的試驗結果一致［10-11］。

圖4 純鋁試樣位錯密度隨磁感應強度的變化Fig.4 Variation of dislocation density in pure aluminum with magnetic field intensity

以上試驗結果表明，交變磁場誘發了位錯的增殖。首先，交變磁場會對金屬產生磁壓強。根據法拉第電磁感應定律，交變磁場作用下純鋁中會產生感應電流，交變磁場與其作用產生的洛倫茲力會對試樣產生一定的磁壓強 P，其大小為［16］：

式中μ0是真空磁導率，取值4π×10-7H／m。當B＝0.1 T時，P＝0.04 MPa，該值遠低于純鋁中位錯開動的臨界切應力0.79 MPa［15］，更達不到材料的屈服強度。因此，磁壓強并不會導致材料中位錯密度大幅度增加。

此外，磁場對位錯自身也會產生作用。文獻［8］指出，通過Peierls-Nabarro模型可計算位錯芯的半寬度。未施加交變磁場時，位錯芯的半寬度為［8］：

式中：α為滑移面的面間距，0＜α＜1；ν為材料的泊松比，鋁的泊松比為0.33。當施加交變磁場后，位錯芯的半寬度變為［8］：

式中η為系數，該系數既受交變磁場切向分量的影響，也和順磁性純鋁的相對磁導率有關。

式中：H為磁場強度，r0為位錯芯尺寸，h0為位錯芯處磁場切向分量，G為剪切模量，μ是材料的相對磁導率。由于 μ＞1，η＞1，故 ξ＞ξ0。

式（5）表明，隨著磁場強度的增加，位錯芯的半寬度增大，位錯芯會膨脹。取μ＝1+2．07×10-5，G＝25 GPa，位錯芯尺寸 r0為一個原子間距，當磁感應強度B＝0.1 T時，將數據代入式（5）計算可得η＝1+7.8×10-6，即位錯芯的半寬度比無磁場時增加了0.000 78%。對于順磁性位錯芯而言，在交變磁場作用下，其膨脹幅度很小。

此時，晶格點陣對滑移的最大阻力近似地表示為［17］：

綜合式（4）～式（6）可知，當交變磁場強度B＝0.1 T時，釘扎阻力 τP-N比無磁場時降低了0.005%，位錯滑移阻力降低幅度很小。因此，交變磁場下順磁性位錯芯的膨脹效應并不是位錯密度增加的主要原因。

此外，在交變磁場作用下，由于磁致塑性效應，形變純鋁試樣中的位錯密度發生變化。基于Molotskii等的理論解釋［6］：順磁性障礙物與位錯芯之間的強鍵合作用通常僅存在于電子自旋反平行的基態單重態（S態）。在磁場作用下，鍵合作用轉變為平行自旋的三重態（T態），鍵合作用減弱甚至消失。因此，位錯更容易從順磁障礙物釘扎處逃逸，導致位錯的自由段長度增加。

在弱磁場中，位錯的自由段長度隨磁場強度變化為［6］：

式中：LH和L0分別為有、無磁場條件下試樣內位錯的自由段長度，H是外加磁場強度，H0是促使位錯從順磁性障礙處退釘扎的特征磁場強度。試驗測得金屬的H0約為幾百mT［6］，這和本試驗采用的磁場強度在同一數量級。由式（7）可知，施加交變磁場后，位錯的自由段長度增加，且隨著磁場強度的增加而增加。說明在交變磁場作用下，位錯芯與障礙物之間的相互作用由低能態的單重態轉變為高能態的三重態，導致位錯自由段長度增加，位錯更容易從釘扎處逃逸，促進位錯運動增殖，導致位錯密度增大。

2.2 交變磁場磁感應強度對純鋁顯微硬度的影響

圖5是有、無交變磁場退火的多晶純鋁試樣的顯微硬度。由圖可知，隨著磁感應強度的增加，試樣的顯微硬度逐步提高。

圖5 有、無交變磁場退火多晶純鋁試樣的顯微硬度Fig.5 Microhardness of pure polycrystalline aluminum annealed with and without alternatingmagnetic field

在塑性變形過程中，流變應力τ是位錯密度平方根的函數［18］：

式中：τ0為無加工硬化時所需的切應力，α為與材料有關的常數，ρ為位錯密度。由式（8）可知，隨著材料位錯密度的增加，流變應力增加，塑性變形抗力增加，硬度顯著提高。

3 結論

（1）隨著磁感應強度的增加，純鋁試樣內位錯密度增加。

（2）在交變磁場作用下，磁壓強和位錯芯膨脹效應對位錯密度的影響不大。磁致塑性效應是位錯密度變化的主要原因，該效應使位錯芯與障礙物之間的相互作用由低能態的單重態轉變為高能態的三重態，位錯更容易從釘扎處逃逸。因此，交變磁場促進了位錯的運動，導致位錯密度增加。

（3）在交變磁場作用下，位錯密度的增加導致純鋁試樣的顯微硬度顯著提高。