在磁場中加熱對單晶鋁力學性能和位錯密度的影響

施可琢 帥三三 雷力明 王 江 任忠鳴

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.上海大學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；3.中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 200241）

磁場能有效改善材料的微觀組織和力學性能，因此已被廣泛用于科學研究和工業生產［1］。磁場對金屬再結晶、晶粒長大、晶體形貌、組織均勻化、相變、織構形成等均有影響［2-6］，施加一定強度的磁場將影響材料內位錯的狀態，進而改善材料的塑性和強度等力學性能。近幾十年來的研究發現，某些材料在磁場中會顯示出“磁致塑性”，其原因是磁場影響材料中位錯的運動。

磁場對金屬塑性的影響最早由Kravchenko等提出［1，7］。Alshits 等［8］試驗發現，磁場能促進NaCl晶體中的位錯運動，且這種作用已在堿金屬鹵化物中得到了證實。后來，在原子水平上的磁致塑性效應得到了廣泛研究。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段的振幅對位錯內摩擦的影響，并認為磁場改變了順磁性雜質的電子能態［11］，從而增加了位錯釘扎點的退釘扎率和位錯自由段長度［12］。

近年來，有人研究了磁場對鎂［13］、鋁［7，14］和鈦［15-16］等固態金屬的位錯、微觀結構和力學性能的影響，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和磁致塑性［14，16-17］。然而，復雜的微觀組織和晶界對位錯運動的阻礙作用使多晶合金的塑性變形機制變得非常復雜。由于單晶具有較簡單的微觀組織且無晶界，能更準確地表征晶體內的位錯分布和變化。

因此本文選用單晶鋁作為研究對象，以便更直觀地揭示由磁場引起的位錯變化與力學性能改善之間的關系。將單晶鋁在交變磁場中加熱，檢測加熱前后單晶鋁的拉伸性能和硬度；在靜磁場中測定單晶鋁的硬度并計算位錯密度；探討磁場影響單晶鋁力學性能的機制。

1 試驗材料與方法

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%（質量分數）的高純鋁。交變磁場加熱爐的示意圖如圖1（a）所示。該裝置主要由加熱爐、磁場發生系統、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 在交變磁場中加熱（a）和在靜磁場中測定硬度（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）

為了揭示交變磁場和溫度對單晶鋁強度和塑性的影響，將試樣在交變磁場中加熱6 h后空冷，具體的試驗參數如表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的發射電流測定試樣的位錯密度。采用MTS Criterion拉伸機在平行于［001］晶向的加載軸方向進行室溫拉伸試驗，初始拉伸速率為3×10－4s－1，采用12 mm 夾式引伸計。拉伸試樣標距為25 mm，橫截面尺寸為3 mm×6 mm。每組拉伸3個試樣。

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

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

2 試驗結果與分析

2.1 原始組織

通常，金屬材料的塑性與位錯密度密切相關。本文通過觀察試樣表面的位錯腐蝕坑來揭示單晶鋁中的位錯與塑性之間的關系。單晶材料中，位錯處的能量較高，易被腐蝕。由于各向異性，晶體被腐蝕后將顯現不同的幾何輪廓，據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）為低倍下位錯腐蝕坑的分布，比較均勻。圖2（b）為位錯腐蝕坑的高倍圖像，其輪廓類似于正方形，表明是單晶，取向為［001］［19-20］。

圖2 單晶鋁位錯腐蝕坑的低倍（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 交變磁場對單晶鋁力學性能的影響

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

圖3 在不同強度磁場中于不同溫度加熱6 h空冷的單晶鋁的力學性能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

金屬材料的力學性能與其位錯密度密切相關［15］。圖4為未加熱和在0.1 T交變磁場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，在交變磁場中加熱后，單晶鋁的衍射圖譜發生了顯著變化，其半高寬參數可用來定量表征位錯密度［15-16］。通常，采用Dunn 公式［21］根據半高寬計算位錯密度：

式中：ρ為位錯密度；l為半高寬；b為Burgers常數。圖5（a）為施加和未施加交變磁場加熱的單晶鋁的半高寬。通過計算得出，與未施加交變磁場加熱的單晶鋁相比，在0.1 T交變磁場中于250和325℃加熱的單晶鋁的位錯密度相應增加了7.6%和8.3%。圖5（b）為在交變磁場中加熱前、后單晶鋁半高寬的差值。可以看出，在交變磁場中加熱的單晶鋁的半高寬差值明顯大于僅經過加熱的單晶鋁。可以推測，在交變磁場中加熱的單晶鋁位錯密度增大，產生了位錯強化和磁致塑性效應，因此其屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均有所提高。

圖5 加熱溫度和交變磁場強度對單晶鋁半高寬（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 靜磁場對單晶鋁塑性的影響

為研究磁場對單晶鋁塑性的影響，在不同強度靜磁場中測定了單晶鋁的硬度，結果如圖6所示。隨著磁場強度從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，靜磁場會導致單晶鋁的硬度降低。

圖6 靜磁場強度對單晶鋁硬度的影響Fig.6 Effect of static magnetic field intensity on hardness of the single crystal aluminum

在一定范圍內，位錯密度的增加能改善塑性，導致硬度降低［17］，即硬度較低的材料通常具有較高的位錯密度。位錯處的能量較高，易被腐蝕，采用合適的腐蝕方法可觀察到材料表面的位錯腐蝕坑，可根據位錯腐蝕坑的數量評估單晶鋁的位錯密度和塑性。從圖7（a）可以看出，在靜磁場中測定硬度的單晶鋁有更多位錯腐蝕坑，根據圖7（a）統計了位錯腐蝕坑的數量。圖7（b）為位錯腐蝕坑數量與換算后的位錯密度。可以看出，隨著靜磁場強度從0增大至0.6 T，單晶鋁中位錯腐蝕坑的數量和位錯密度均增大，因此可以推斷，硬度的降低與由靜磁場引起的位錯密度增加有關，位錯密度的增大導致了單晶鋁在受壓縮時的塑性改善。通常認為，靜磁場能降低位錯形核能、加速位錯運動、增大位錯密度，并促進內應力釋放［12］。因此，單晶鋁塑性的提高可能與靜磁場提高單晶鋁內位錯的可移動性有關。

圖7 靜磁場強度對單晶鋁中位錯蝕坑的形貌和數量（a）及位錯密度（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 磁場對量子尺度電子自旋的影響

在原子尺度上，磁場導致的位錯密度變化可歸因于電子自旋狀態的改變［17，22］。鋁是順磁性金屬，其原子核外電子具有順磁性特征，單晶鋁中的位錯或其他障礙同樣具有順磁性特征［14］。當位錯與順磁性障礙之間的距離足夠小（小于10－9m）時，位錯的釘扎中心與障礙物之間的自由電子極易形成自由基對。

位錯與障礙物之間形成的自由基對具有兩種不同的自旋狀態，即自旋方向相反的單重態（S態）和自旋方向相同的三重態（T態）［16］，通常自由基對處于S態。在這種狀態下，自旋磁矩被抵消，位錯運動需要更大的能量，導致塑性降低［12，23］。與S態相比，T態能量較低，更為穩定，對應于位錯運動的障礙較少，材料具有較好的塑性。

磁場通過解除S態與T態間的轉化障礙來影響自由基對的形成動力學，從而導致T態自由基對的增多［24］。Salikhov 等［25］提出了電子對自旋狀態發生轉化的機制，稱為“Δg機制”。該機制認為，由于磁場中電子對的Lande因子（g）有差異，從而產生Larmor進動頻率差，進而改變電子對的自旋狀態。進動頻率表達式［25］：

式中：B為磁感應強度，μ為電子磁矩；h為普朗克常數；ωp為進動角頻率。當處于S態的電子對受到磁場作用時，Lande因子發生變化（Δg約為10－4～10－3），使得電子對從S態向T態轉換的頻率提高（從0 增大至10－9～10－8Hz）［16，26］。

此外，磁場也影響位錯的自由段長度，從而影響材料的可塑性［11］。磁場中位錯的自由段長度可按如下公式［3］計算：

式中：L0為原試樣內位錯的自由段長度；LH為磁場中試樣內位錯的自由段長度；H為外加磁場強度；H0為促使位錯從順磁性障礙處退釘扎的特征磁場強度。由式（3）可知，施加磁場后位錯的自由段長度增大。

可見，磁場能影響自由基對從S態轉變為T態并增加位錯的自由段長度，從而促進位錯運動和增殖［27］。可以推斷，當單晶鋁在交變磁場中加熱或在靜磁場中被壓縮時，自由基對可能從S態轉變為T態，且位錯的自由段長度增加。因此，位錯可能更易脫釘、運動加快、密度增大［11］。這是單晶鋁的塑性和強度均得到改善的原因。

3 結論

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

（2）當磁場強度從0增加到0.6 T時，在靜磁場中測定的單晶鋁的硬度降低了12.1%，位錯蝕坑數量增加了33.1%，顯示出了磁致塑性效應。

（3）施加磁場能促進自由基對電子自旋狀態的改變，增加位錯的自由段長度，從而促進位錯的運動和增殖，改善了材料的塑性。