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    你不了解的晶界特性:晶界內耗
      發布時間:2021年05月27日 點擊數:

    晶界內耗[1]是我國科學家上世紀開創的一個新的研究領域。材料的界面問題是材料科學的一個帶有共性的重大問題,因為界面可以具有與材料整體大不相同的結構和性質,從而對于整個材料體系的性能具有關鍵的影響。

    晶界是界面的一種類型。關于晶界的結構和性能的研究是一個古老的但是迄今未得到滿意解決的問題,而這個問題無論在學術方面和實際應用方面都具有重要的意義,因為幾乎所有在實際應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,各個單個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較強于不含晶界的單晶金屬,而在高溫時則較弱。在以前,人們只知道這是晶界所引起的效應,但是并不了解晶界本身的性質及其表現。

    內耗就是物體在振動當中所表現的能量消耗。物體開始振動以后,振動停止得越快,表明內耗越大,反之則內耗越小。當物體中含有缺陷或不規則區域時,在振動中就會產生內耗。晶界是金屬中所含的一種缺陷,因而在適當的條件下就會成為產生內耗之源。在不含任何晶界并且未經過冷加工的單晶體中是不會出現這種內耗峰的。

    內耗的出現與溫度和振動頻率有關。過去人們用來研究晶界的內耗裝置所激發的振動頻率太高,因而未能得到預期的結果。扭擺內耗儀的發明解決了這個問題,因為用它可以得到很低的振動頻率。

    1947年,葛庭燧[2]先生利用低頻扭擺內耗儀發現了純鋁的晶界內耗峰,測出了與內耗峰相聯系的激活能,提出了晶界的滑動機制,算出了晶界的粘滯系數,這在歷史上第一次從實驗上證明了晶界本身具有粘滯特性。

    晶界內耗峰的發現及其機制的闡明證明了晶界具有粘滯性質,但這并不意味著晶界是由一層粘滯性物質(例如由一層非晶態物質)所構成的, 也不意味著晶界并不具有一定的結構。

    所謂的粘滯性質只是說明加到它上面的切應力要隨著時間的推移而發生弛豫,并且它的滑動速率與所加的切應力成正比,這就是牛頓粘滯規律。非晶態物質遵從這種規律,但遵從這種規律的并不一定就是非晶態物質。

    多晶體金屬材料是材料科學的主要研究對象之一,其晶界結構與性質強烈地影響著晶界遷動、溶質原子在晶界的偏聚等現象以及材料的力學和物理性能等。

     

    注:

            [1]晶界內耗就是由晶界引起的內耗。固體在機械振動中由于內部原因引起的振動能量損耗,稱為內耗。它在工程上是材料阻尼性能的一種指標,同時又是研究材料內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家,山東蓬萊人;1937年獲清華大學理學士學位,1943年獲美國伯克利加州大學物理學博士學位,早年在美國參與過著名的“曼哈頓計劃”,后歸國;擔任中國科學院金屬研究所副所長、固體物理研究所研究員、名譽所長,主要從事固體內耗、晶體缺陷和金屬力學性質研究,是國際上滯彈性內耗研究領域創始人之一;葛庭燧一生刻苦進取、努力拼搏,他拋棄美國穩定優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給了祖國。

    --本文摘自“金屬材料科學與技術”

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