晶界內(nèi)耗[1]是我國科學(xué)家上世紀(jì)開創(chuàng)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。材料的界面問題是材料科學(xué)的一個(gè)帶有共性的重大問題,因?yàn)榻缑婵梢跃哂信c材料整體大不相同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),從而對于整個(gè)材料體系的性能具有關(guān)鍵的影響。
晶界是界面的一種類型。關(guān)于晶界的結(jié)構(gòu)和性能的研究是一個(gè)古老的但是迄今未得到滿意解決的問題,而這個(gè)問題無論在學(xué)術(shù)方面和實(shí)際應(yīng)用方面都具有重要的意義,因?yàn)閹缀跛性趯?shí)際應(yīng)用中的金屬和合金都具有晶界。
一般的金屬是由許多晶粒組成的,各個(gè)單個(gè)晶粒之間的界面叫做晶界。在一般情形下,含有晶界的多晶金屬在低溫時(shí)較強(qiáng)于不含晶界的單晶金屬,而在高溫時(shí)則較弱。在以前,人們只知道這是晶界所引起的效應(yīng),但是并不了解晶界本身的性質(zhì)及其表現(xiàn)。
內(nèi)耗就是物體在振動當(dāng)中所表現(xiàn)的能量消耗。物體開始振動以后,振動停止得越快,表明內(nèi)耗越大,反之則內(nèi)耗越小。當(dāng)物體中含有缺陷或不規(guī)則區(qū)域時(shí),在振動中就會產(chǎn)生內(nèi)耗。晶界是金屬中所含的一種缺陷,因而在適當(dāng)?shù)臈l件下就會成為產(chǎn)生內(nèi)耗之源。在不含任何晶界并且未經(jīng)過冷加工的單晶體中是不會出現(xiàn)這種內(nèi)耗峰的。
內(nèi)耗的出現(xiàn)與溫度和振動頻率有關(guān)。過去人們用來研究晶界的內(nèi)耗裝置所激發(fā)的振動頻率太高,因而未能得到預(yù)期的結(jié)果。扭擺內(nèi)耗儀的發(fā)明解決了這個(gè)問題,因?yàn)橛盟梢缘玫胶艿偷恼駝宇l率。
1947年,葛庭燧[2]先生利用低頻扭擺內(nèi)耗儀發(fā)現(xiàn)了純鋁的晶界內(nèi)耗峰,測出了與內(nèi)耗峰相聯(lián)系的激活能,提出了晶界的滑動機(jī)制,算出了晶界的粘滯系數(shù),這在歷史上第一次從實(shí)驗(yàn)上證明了晶界本身具有粘滯特性。
晶界內(nèi)耗峰的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)制的闡明證明了晶界具有粘滯性質(zhì),但這并不意味著晶界是由一層粘滯性物質(zhì)(例如由一層非晶態(tài)物質(zhì))所構(gòu)成的, 也不意味著晶界并不具有一定的結(jié)構(gòu)。
所謂的粘滯性質(zhì)只是說明加到它上面的切應(yīng)力要隨著時(shí)間的推移而發(fā)生弛豫,并且它的滑動速率與所加的切應(yīng)力成正比,這就是牛頓粘滯規(guī)律。非晶態(tài)物質(zhì)遵從這種規(guī)律,但遵從這種規(guī)律的并不一定就是非晶態(tài)物質(zhì)。
多晶體金屬材料是材料科學(xué)的主要研究對象之一,其晶界結(jié)構(gòu)與性質(zhì)強(qiáng)烈地影響著晶界遷動、溶質(zhì)原子在晶界的偏聚等現(xiàn)象以及材料的力學(xué)和物理性能等。
注:
[1]晶界內(nèi)耗就是由晶界引起的內(nèi)耗。固體在機(jī)械振動中由于內(nèi)部原因引起的振動能量損耗,稱為內(nèi)耗。它在工程上是材料阻尼性能的一種指標(biāo),同時(shí)又是研究材料內(nèi)部缺陷的一種靈敏工具。
[2]葛庭燧(1913-2000),中國著名金屬物理學(xué)家,山東蓬萊人;1937年獲清華大學(xué)理學(xué)士學(xué)位,1943年獲美國伯克利加州大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位,早年在美國參與過著名的“曼哈頓計(jì)劃”,后歸國;擔(dān)任中國科學(xué)院金屬研究所副所長、固體物理研究所研究員、名譽(yù)所長,主要從事固體內(nèi)耗、晶體缺陷和金屬力學(xué)性質(zhì)研究,是國際上滯彈性內(nèi)耗研究領(lǐng)域創(chuàng)始人之一;葛庭燧一生刻苦進(jìn)取、努力拼搏,他拋棄美國穩(wěn)定優(yōu)越的工作和生活條件,毅然決然地回到了祖國,并傾其所有的把自己的一切獻(xiàn)給了祖國。
--本文摘自《金屬材料科學(xué)與技術(shù)》