亚结构

嵌镶结构

亚结构（substructure）是一种嵌镶结构，泛指晶体内部的错位排列和分布；特指晶体划分为取向差不大（从秒到度数量级）的亚晶粒，其晶粒间界可以归结为错位的行列或网络（见位错）。它们都是与超结构或调制结构相对而言的，其晶胞此时称为亚晶胞（subcell）。

简介

定义

冷加工形变或形变后不完全回复的晶体，其原来结晶取向基本一致的晶粒会细化成大小约为10-4厘米，取向略有差别（几分至几度）的小晶块，这种结构称作亚结构。熔态凝固生长的晶体由于杂质原子的偏析或空位集聚也会形成亚结构。亚结构中晶块界面处位错密度较高，块内的位错密度很低。

历史

亚结构是金属晶体中间常见的一种结构。早在1912年C.G.达尔文就发现：按照X射线衍射动力学理论，完整晶体的衍射强度和线宽应远小于在多数实际晶体中实测出的数值。为了解释此分歧，他就提出嵌镶结构模型，即设想实际晶体是不完整的，由许多取向差不大的晶块所组成。在50年代以后，多种实验方法观察到晶体内的错位行列和网络，使得原来设想的嵌镶结构具体化了，就更多地采用亚结构这个名词。晶体内部的亚结构和晶体的经历有关。在原生状态，晶体的完整性取决于生长条件：可以有明显的亚晶粒；或仅存在不规则分布的错位；有时甚至长出无错位的晶体；也可能出现由于杂质不均匀分布所导致的亚结构。在晶体范性形变以后，大量错位不均匀分布在滑移面上，塞积于障碍前；有时形成形变的胞状结构，即低错位密度区为高错位密度的胞壁区所隔开的状态。在范性形变后再经过退火，晶体中的错位可以通过攀移形成行列或网络，导致明显的亚晶粒出现。

亚结构的力学稳定性

在某些条件下，冲击硬化金属的力学响应会变得很不稳定。Meyers发现，金属镍在受到20GPa的冲击载荷时，其应力-应变曲线（拉伸时）没出现加工硬化现象。图1给出了材料受到不同脉冲持续时间冲击的应力-应变曲线。材料分别在室温和77K时受到冲击。而后将试件取出，并加热到其恢复特征温度，金属镍的加工硬化特征就会恢复。这可从下左图上清晰地看出，材料在573K进行1个小时的热处理后，硬度没有改变，但材料的塑性响应即从“加工软化”变成了“加工硬化”。在微观尺度上，如果能看到冲击加载产生的位错形貌，那么加工软化就容易理解了。由于净塑性变形很小或没有，所以冲击变形的材料的总Burgers矢量为零或近似为零。因此，可以将组成变形亚结构的晶胞看成是位错的集合，Burgers矢量正负方向频率大致相等的位错。Fourie等人对位错的排列进行了分类。Chareley和Kuhlmann-Wilsdorf研究了这些双极晶胞壁，并得出，双极晶胞壁结构是一种不稳定的结构，而且塑性变形有可能破坏这种构形。这已由对准静态拉伸实验试件的颈部进行透射电镜观测所证实。特征晶胞形态被大大伸长的晶胞所替代，实际上其内部没有位错。图2右图是由冲击硬化镍试件的塑性变形引起的晶胞结构的急剧变化。大而长的晶胞替代了那些小晶胞，位错重排的过程并不需要有新的位错产生。因此，没有发生加工硬化而主要是由，位错的产生和增殖造成的。

亚结构的变化

金属材料经冷塑性变形后，形成胞状亚结构，在胞内，位错密度较低，在胞壁处则集中着缠结在一起的位错，位错密度很高。在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时，看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可看到胞状亚结构发生了显著地变化。纯铝多晶体进行回复退火时，在回复退火之前的冷变形

状态，缠结位错构成了胞状亚结构的边界。经短时回复退火后，空位密度大大下降，胞内的位错向胞壁滑移，与胞壁内的异号位错相抵消，位错密度有所下降。随着回复过程的进一步发展，胞壁中的位错逐渐形成低能态的位错网络，胞壁变得比较明晰而成为亚晶界，接着这些亚晶粒通过亚晶界的迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度则进一步下降。回复温度越低，变形度越大，则回复后的亚晶粒尺寸越小。

位错亚结构强化

已有的工作表明：在Ar3～Ar1温度区间变形而形成的亚晶和位错有显著的强化作用，由于铁素体中的位错密度增加，位错亚结构提高了铁素体的强度。位错密度ρ与铁素体的屈服强度σd之间的关系为：

式中，α为比例系数，μ为切变模量，b为位错的柏氏矢量，ρ为位错密度。在室温（25℃）和低温下铁素体中的位错密度与流变应力关系中，位错与晶界对铁素体的强化作用强烈地取决于间隙原子在位错上的偏聚情况，原子偏聚越多，对位错运动的阻力越大，强度越高，因而强化效果随温度而变化。

在易于交滑移的金属中，应变量超过一定程度后位错将排成三维亚结构，形成“胞状结构”或“亚晶”。胞状亚结构对屈服强度的贡献可表示为：

式中，β为比例系数，Dcs为位错胞状结构的尺寸。

亚结构细化

金属的塑性变形是以位错的不断增殖和运动来实现的，因而塑性变形后，位错数量迅速提高，位错密度可增加几个数量级，可从变形前经退火的106～1010/cm2增至1011一1012/cm2。此外，变形使金属中的空位密度也显著增加。

研究表明，经塑性变形后，多数金属晶体中的位错分布不均匀。形变量较少时，形成位错缠结结构；当形变量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，相邻胞间取向一般不超过2°，位错主要集中在胞壁中，胞内仅有稀疏的位错网络，胞内位错密度约为胞壁的1/4；变形量越大，则胞块的数量越多，尺寸减小，胞块问的取向差也逐渐增大；变形量继续增大（如强烈冷变形或拉丝），则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞，如图3。

形变亚结构是在塑性变形过程中形成的。在切应力的作用下，位错源所产生的大量位错沿滑移面移动时，会遇到各种阻碍位错运动的障碍物，如晶界、第二相颗粒，以及多滑移时形成的割阶，这些障碍物会导致位错的缠结和堆集，进而形成亚结构胞壁。一般来说，高层错能晶体更易形成胞状亚结构。这是由于对层错高的金属而言，变形过程中位错不易分解，遇到障碍时通过交滑移继续移动，直至与其他位错相遇缠结。层错能较低的金属由于其位错易于分解，因而通常只形成分布较均匀的复杂位错结构。

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