特点:群魔乱舞
位错,是晶体中的另一种缺陷,类似于头发丝,是一种一维的缺陷。位错是金属晶体中最重要的一种缺陷,直接影响着晶体的各种性能,尤其是力学性能。位错的尺寸非常小,直径不到一纳米,长度可达几十个微米。一纳米约等于头发直径的十万分之一,肉眼根本看不见,必须利用电子显微镜在几万倍的放大倍数下才能看到它的身影。
但是金属材料中的位错却非常的多——如果把一立方厘米的金属中所有的位错接在一起,总长度可以和地球的直径相当。在外力作用下,这些位错可以运动,相互交割,纠缠,简直就像群魔乱舞。正是这些位错的运动赋予了金属材料良好的变形能力,反之,如果一种材料中的位错既少又不易运动,这种材料就很难发生变形。比如陶瓷,一摔即碎。
位错(手绘:户一凡)
然而,位错的运动并不是一帆风顺的。材料中存在其它类型的缺陷,他们也会扰乱金属中的原子排列秩序,让位错运动的“路途”变得崎岖坎坷:时而需要穿过泥潭,时而需要翻越高山。比如点缺陷就会阻碍位错的运动。简单来讲,如果有大个儿的原子(比如碳或者氮)钻进材料中,他们形成的点缺陷可以像钉子一样将位错牢牢地“钉扎住”,就像吉他上的琴弦被牢牢地固定在琴面上一样。位错要运动就需要更大的力摆脱钉扎,材料变形更难了,于是给人的感觉是变得更脆,前面提到的突然断裂的风险也就提高了。
钻进金属的大原子会钉住位错,限制它的运动(手绘:户一凡)
但是,科学家一直认为氢脆不是氢原子“钉住”位错造成的。因为氢原子实在太小了。小巧灵活的身体使氢原子能“自由”地在金属原子之间“流动”。换句话说,氢原子在金属中形成的点缺陷没法有效地“钉”住位错的运动。相反,甚至有学者认为“小巧灵活”的氢原子可以像润滑剂一样帮助位错越过前方的障碍,让位错的运动更加顺利。
氢原子让位错的运动更加顺畅(手绘:户一凡)
直到最近,由西安交通大学材料学院微纳中心解德刚等人发表在《自然-通讯》上的一项工作颠覆了人们的认知。这项工作表明,至少在金属铝中,充氢并没有对位错起“润滑”作用,反而是强烈的“钉扎”作用。这不是和前面氢原子无法钉扎位错的结论矛盾了吗?你可能猜到了,这应该是一种间接的影响:氢原子和金属中的空位“抱成团”,一起阻碍了位错的运动。这种“抱成团”的复合结构可以产生比大个儿原子更强烈的钉扎作用,从而让材料变得更脆,更容易发生突然断裂。这种氢原子和空位的抱团是材料科学中的一种典型的“1+1>2”的现象。
“抱团”的氢原子和空位牢牢地限制了位错的运动(手绘:户一凡)