D01:10.13374.isml00103x.2007.11.02 第29卷第11期 北京科技大学学报 Vol.29 No.11 2007年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2007 映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响 李东毛卫民余永宁 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要采用分析位错映像力的方法研究了纯铝表层区域直螺、直刃位错所承受的滑移应力.理论上计算出映像应力作用下 直螺，刃位错临界滑移距离和纯铝表层低位错密度区尺寸.讨论了直刃位错临界攀移距离和温度的关系.指出了表面上相对 稳定的位错组态. 关键词纯铝；位错：映像力：临界滑移距离：临界攀移距离 分类号TG146.2:077 含铝99.99%以上的高纯铝箔是制作优质电解 映像力为Fml,则滑移面上促使该位错滑移的映像 电容器的重要原料).通常需要借助特定的电化学 应力3为： 腐蚀技术使铝箔表面萌生腐蚀孔坑，再使孔坑不断 Fiml Gb 023=0iml= (1) 向铝箔内部深化扩展以急剧扩大铝箔的有效表面 b 4xd 积从而实现获得高比电容的目的一到.铝箔的腐 式中，b=286×100m为铝的柏氏矢量，G= 蚀起源于表面的位错、晶界、机械划痕等结构不均匀 25.9GPa为铝位错的有效切变模量9，d山为纯螺位 处所出现的点蚀行为←9，因此铝箔表面的位错组 错的临界滑移距离.若取位错滑移需要克服的切应 态对其腐蚀性能具有重要的影响.铝箔表面通常会 力即临界分切应力。为0.79MPa10,当23达到 生成不同厚度的氧化膜一，在加工电解电容器铝 τ。的水平位错就可能因映像力的作用而向表面滑 箔的电化学处理流程中往往需要先对铝箔进行碱洗 移，可以计算出表面附近这种纯螺位错的临界滑移 处理，清除表面的氧化膜，以使表面接近自由表面的 距离d1为0.7462m. 状态，因此需要细致分析高纯铝箔自由表面可能的 位错组态、影响因素以及对其腐蚀行为潜在的影响. 目前针对高纯铝箔表面位错组态的系统性分析研究 尚未见报道，相关研究也对分析其他金属的自由表 面附近位错组态也有借鉴作用 1自由表面内的直螺、直刃位错的临 界滑移 图1靠近平直自由表面的螺位错及映像位错图示.1一铝介 在表面附近的位错会受到映像力Fm作用.当 质：Ⅱ一真空或空气介质 映像力产生的应力大于或等于位错滑移临界阻力 Fig.I Graphic representation of screw dislocation and its image 时，位错就会滑移出表面形成表面台阶.如图1所 dislocation cosed to smooth and straight free surface.I -alu- minum medium:Ⅱ一acuum or air medium 示，x2轴左侧为半无限各向同性的纯铝介质，右侧 为真空或空气介质.假定一柏氏矢量b垂直于纸面 当直刃位错的柏氏矢量垂直于表面，滑移面也 向外且平行于自由表面的直螺位错位于A点，滑移 垂直于表面时，设表面附近直刃位错受到的映像力 面平行于x1轴并垂直于x2轴.设该螺位错受到的 为Fm则滑移面上使位错滑移的映像应力o12为： 收稿日期：2006-08-09修回日期：2006-11-14 12=0im=b=4rd.(1-以 （2) 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N0.50571020):高等学校博 士学科点专项科研基金资助项目(Na20040008010) 式中，u=0360为铝的泊松比列，d.为纯刃位错的 作者简介：李东(1980一)，男，博士研究生：毛卫民(1950一)，男， 临界滑移距离.由此可以计算出表面附近这种纯刃 教授博士生导师 位错的临界滑移距离d.为1.1664m
映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响 李 东 毛卫民 余永宁 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 采用分析位错映像力的方法研究了纯铝表层区域直螺、直刃位错所承受的滑移应力, 理论上计算出映像应力作用下 直螺、刃位错临界滑移距离和纯铝表层低位错密度区尺寸.讨论了直刃位错临界攀移距离和温度的关系, 指出了表面上相对 稳定的位错组态. 关键词 纯铝;位错;映像力;临界滑移距离;临界攀移距离 分类号 TG146.2 ;O 77 收稿日期:2006-08-09 修回日期:2006-11-14 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50571020) ;高等学校博 士学科点专项科研基金资助项目( No.20040008010) 作者简介:李 东( 1980—) , 男, 博士研究生;毛卫民( 1950—) , 男, 教授, 博士生导师 含铝 99.99 %以上的高纯铝箔是制作优质电解 电容器的重要原料[ 1] .通常需要借助特定的电化学 腐蚀技术使铝箔表面萌生腐蚀孔坑, 再使孔坑不断 向铝箔内部深化扩展, 以急剧扩大铝箔的有效表面 积, 从而实现获得高比电容的目的[ 2-3] .铝箔的腐 蚀起源于表面的位错 、晶界、机械划痕等结构不均匀 处所出现的点蚀行为[ 4-6] , 因此铝箔表面的位错组 态对其腐蚀性能具有重要的影响 .铝箔表面通常会 生成不同厚度的氧化膜[ 7-8] , 在加工电解电容器铝 箔的电化学处理流程中往往需要先对铝箔进行碱洗 处理, 清除表面的氧化膜, 以使表面接近自由表面的 状态, 因此需要细致分析高纯铝箔自由表面可能的 位错组态 、影响因素以及对其腐蚀行为潜在的影响 . 目前针对高纯铝箔表面位错组态的系统性分析研究 尚未见报道, 相关研究也对分析其他金属的自由表 面附近位错组态也有借鉴作用 . 1 自由表面内的直螺 、直刃位错的临 界滑移 在表面附近的位错会受到映像力 Fim作用 .当 映像力产生的应力大于或等于位错滑移临界阻力 时, 位错就会滑移出表面形成表面台阶.如图 1 所 示, x 2 轴左侧为半无限各向同性的纯铝介质, 右侧 为真空或空气介质.假定一柏氏矢量 b 垂直于纸面 向外且平行于自由表面的直螺位错位于 A 点, 滑移 面平行于 x 1 轴并垂直于 x 2 轴 .设该螺位错受到的 映像力为 Fiml , 则滑移面上促使该位错滑移的映像 应力 σ23为 : σ23 =σiml = F iml b = Gb 4πd l ( 1) 式中, b =2.86 ×10 -10 m 为铝的柏氏矢量, G = 25.9GPa 为铝位错的有效切变模量[ 9] , dl 为纯螺位 错的临界滑移距离 .若取位错滑移需要克服的切应 力即临界分切应力 τc 为 0.79 MPa [ 10] , 当 σ23达到 τc 的水平位错就可能因映像力的作用而向表面滑 移, 可以计算出表面附近这种纯螺位错的临界滑移 距离 dl 为 0.746 2 μm . 图 1 靠近平直自由表面的螺位错及映像位错图示.Ⅰ —铝介 质;Ⅱ —真空或空气介质 Fig.1 Graphi c representation of screw dislocation and its image dislocation closed to smooth and straight free surface.Ⅰ —aluminum medium;Ⅱ —vacuum or air medium 当直刃位错的柏氏矢量垂直于表面, 滑移面也 垂直于表面时, 设表面附近直刃位错受到的映像力 为 Fimr, 则滑移面上使位错滑移的映像应力 σ12为 : σ12 =σimr = Fimr b = Gb 4πd r( 1 -υ) ( 2) 式中, υ=0.360 为铝的泊松比[ 9] , d r 为纯刃位错的 临界滑移距离.由此可以计算出表面附近这种纯刃 位错的临界滑移距离 d r 为 1.166 μm . 第 29 卷 第 11 期 2007 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.11 Nov.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.11.012
。1106 北京科技大学学报 第29卷 从计算可以看出，映像力会使靠近表面微米尺 移面有(111)和(111)，若自由表面晶面为(mnp), 度范围内的位错滑移出表面，当纯铝某一维尺寸小 则需要满足[110(mnp)的条件是m=n.在常 于1m或处于亚微米尺度时，如纯铝的细粉或晶 须，位错的映像力可能会大量减少基体中的位错使 见自由表面低指数晶面族中和[110]平行的自由表 其力学性能大幅度增强. 面有(111)、(110)、(112)和(001)，这时的sin中值和 临界滑移距离L1如表1所示 2滑移面倾斜于自由表面的直螺、直 表1表面晶体学指数与平行于表面直螺位错临界滑移距离关系 刃位错的临界滑移 (b=[1i0) 实际材料中直螺位错、直刃位错滑移面往往并 Table 1 Relation between the surface crystal indices and the critical 不垂直于自由表面，因此相关的临界滑移计算必须 slip distance of straight screw dislocation parallel to surface(Burgers vector=[110 考虑到晶体学参数的影响.工程铝材表面观察到的 常有的晶面族有{111}、{100}、{110}、{112}、{123} 自由表 滑移面(111) 滑移面(111) 面晶面 和{124，设通式为{mnp}.当位错在相对于自由 sin L(m sin Lyum 表面倾斜的滑移面上滑移，设中为滑移面与自由表 (111) 0 0 23 0.7035 面晶面的夹角(0P≤π/2)，纯螺位错的临界滑移 (110) N3/3 04308 3/3 0.4308 距离L,则可如下计算为： (112 1V3 02487 1 07462 L1=din中 (3) (001) 6/3 0.6093 6/3 06093 若刃位错滑移面和表面晶向斜交，如图2所示 的B点，根据文献1]映像位错可分为柏氏矢量为 对于柏氏矢量为110和滑移面为(111)的直刃 bsin中使刃位错滑移的位于G点的映像位错和柏氏 位错，相对应的位错线方向为112]，若自由表面晶 矢量为bcos中使刃位错攀移的位于C点的映像位 面为(mnp,则需要满足[112]mnp)的条件 错，刃位错所受映像位错使位错滑移的应力6c为： 是m十n=2p.在常见自由表面中满足的条件的晶 Gbsin 6GF4纸L.(1-) (4) 面有(111)、(110)、(312)和(241)，这时的sim中值和 临界滑移距离L:如表2所示. 表2表面晶体学指数与平行于表面直刃位错临界滑移距离关系 (b=[110) Table 2 Relation between the surface crystal indices and the critical slip distance of straight edge dislocation parallel to surface Burgers vector=[110) 自由表面晶面 sinΦL/m 自由表面品面nL/平m (111) 0 0 (312) 7170441 (110) 1.166 (241) 42/71080 图2靠近平直自由表面的刃位错及映像位错图示叫.1一铝 上述计算表明映像力往往会使纯铝自由表面内 介质：Ⅱ一真空或空气介质 Fig.2 Graphic representation of edge dislocation and its image dis 出现一个微米及亚微米厚的低位错密度区域.而当 locations closed to smooth and straight free sur face.I -aluminum 直位错的位错线不平行于自由表面时，映像作用力 medium II-vacuum or air medium 首先通常会使位错靠近表面的一端滑移出表面，位 错在滑移过程中位错线会向自由表面弯曲，在滑移 结合式(2)可得滑移面与自由表面夹角为中的 面与表面不垂直的情况下促使位错线方向与自由表 纯刃位错的临界滑移距离L,为： 面夹角趋向于中，从而使位错处于稳定组态，这时位 L:=drsin (5) 错将会从纯刃或纯螺位错转变成混型位错.映像力 上述计算均假设位错的滑移线为一直线且平行 也会使混型位错在容易开动滑移的滑移面上滑移， 于自由表面，这样对螺位错有柏氏矢量方向平行于 但混型位错的滑移过程分析比较复杂，且造成的临 自由表面，而对刃位错有位错线平行于自由表面. 界滑移距离和直位错计算值在同一数量级，文中不 设螺位错的柏氏矢量为110]时，相对应的滑 再作特殊计算
从计算可以看出, 映像力会使靠近表面微米尺 度范围内的位错滑移出表面, 当纯铝某一维尺寸小 于1 μm 或处于亚微米尺度时, 如纯铝的细粉或晶 须, 位错的映像力可能会大量减少基体中的位错, 使 其力学性能大幅度增强. 2 滑移面倾斜于自由表面的直螺 、直 刃位错的临界滑移 实际材料中直螺位错、直刃位错滑移面往往并 不垂直于自由表面, 因此相关的临界滑移计算必须 考虑到晶体学参数的影响 .工程铝材表面观察到的 常有的晶面族有{111}、{100}、{110}、{112}、{123} 和{124}, 设通式为{m n p}.当位错在相对于自由 表面倾斜的滑移面上滑移, 设 为滑移面与自由表 面晶面的夹角( 0 ≤φ≤π/2), 纯螺位错的临界滑移 距离 Ll 则可如下计算为: L1 =d 1sin ( 3) 若刃位错滑移面和表面晶向斜交, 如图 2 所示 的 B 点, 根据文献[ 11] 映像位错可分为柏氏矢量为 bsin 使刃位错滑移的位于 G 点的映像位错和柏氏 矢量为 bcos 使刃位错攀移的位于 C 点的映像位 错, 刃位错所受映像位错使位错滑移的应力 σG 为 : σG = Gbsin 4πLr( 1 -υ) ( 4) 图 2 靠近平直自由表面的刃位错及映像位错图示[ 11] .Ⅰ —铝 介质;Ⅱ —真空或空气介质 Fig.2 Graphic representation of edge dislocation and its image dislocations closed to smooth and straight free surface .Ⅰ —aluminum medium;Ⅱ —vacuum or air medium 结合式( 2) 可得滑移面与自由表面夹角为 的 纯刃位错的临界滑移距离 Lr 为: Lr =d rsin ( 5) 上述计算均假设位错的滑移线为一直线且平行 于自由表面, 这样对螺位错有柏氏矢量方向平行于 自由表面, 而对刃位错有位错线平行于自由表面. 设螺位错的柏氏矢量为[ 1 1 - 0] 时, 相对应的滑 移面有( 111 - )和( 111), 若自由表面晶面为( m n p), 则需要满足[ 11 - 0] ∥( m n p) 的条件是 m =n .在常 见自由表面低指数晶面族中和[ 11 - 0] 平行的自由表 面有( 111) 、( 110) 、( 112) 和( 001) , 这时的 sin 值和 临界滑移距离Ll 如表 1 所示. 表 1 表面晶体学指数与平行于表面直螺位错临界滑移距离关系 ( b=[ 11 - 0] ) Table 1 Relation between the surface crystal indices and the criti cal slip distance of straight screw dislocation parallel to surface ( Burgers vector =[ 1 1 - 0] ) 自由表 面晶面 滑移面( 111) 滑移面( 11 1 - ) sin L l /μm sin Ll /μm ( 111) 0 0 2 2/ 3 0.703 5 ( 110) 3/ 3 0.430 8 3/ 3 0.430 8 ( 112) 1/3 0.248 7 1 0.746 2 ( 001) 6/ 3 0.609 3 6/ 3 0.609 3 对于柏氏矢量为[ 11 - 0] 和滑移面为( 111)的直刃 位错, 相对应的位错线方向为[ 112 - ] , 若自由表面晶 面为( m n p), 则需要满足[ 112 - ] ∥( m n p )的条件 是 m +n =2 p .在常见自由表面中满足的条件的晶 面有( 111) 、( 11 - 0) 、( 312)和( 2 - 41), 这时的 sin 值和 临界滑移距离Lr 如表 2 所示. 表 2 表面晶体学指数与平行于表面直刃位错临界滑移距离关系 ( b=[ 11 - 0] ) Table 2 Relation between the surface crystal indices and the criti cal slip distance of straight edge dislocation parallel to surface ( Burgers vector =[ 1 1 - 0] ) 自由表面晶面 sin L r /μm ( 111) 0 0 ( 1 1 - 0) 1 1.166 自由表面晶面 sin L r /μm ( 312) 7/ 7 0.441 ( 2 - 41) 42/ 7 1.080 上述计算表明映像力往往会使纯铝自由表面内 出现一个微米及亚微米厚的低位错密度区域.而当 直位错的位错线不平行于自由表面时, 映像作用力 首先通常会使位错靠近表面的一端滑移出表面, 位 错在滑移过程中位错线会向自由表面弯曲, 在滑移 面与表面不垂直的情况下促使位错线方向与自由表 面夹角趋向于 , 从而使位错处于稳定组态, 这时位 错将会从纯刃或纯螺位错转变成混型位错 .映像力 也会使混型位错在容易开动滑移的滑移面上滑移, 但混型位错的滑移过程分析比较复杂, 且造成的临 界滑移距离和直位错计算值在同一数量级, 文中不 再作特殊计算. · 1106 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷
第11期 李东等：映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响 。1107。 3自由表面内的刃位错的攀移 错的临界距离为1.264m,在此距离的刃位错的初 始攀移速度为1.756×100m·s1,即距表面 在一定温度下映像力会使滑移面平行于自由表 1.264X106m厚的刃位错可能攀移出来可以判 面的直刃位错以一定速度V。向表面攀移，即V。 断当纯铝长时间在高温下时，表层刃位错将有一部 为四： 分攀移出来. 2D.(T)on1 当直刃位错的位错线平行于自由表面而滑移面 Va-bln(R/ro)kTco 6) 不平行于自由表面时，如图(2)所示，根据文献[11] 式中，ln(R/ro)可假设为l0山，无外力作用下时晶 中映像位错作用使刃位错攀移的应力σc为： 体中原来的空位浓度是平衡浓度，即G=0,D(T) Gbcos 为铝的自扩散系数，且有D,(T)=Doexp(-Q/ o=4纸Lp(1-以 (10) RT),纯铝的扩散常数Do=171×106m2·s1、扩 结合式(2)可得滑移面与自由表面夹角为中的 散激活能Q=142kJmo厂1,2=1.225×1029 直刃位错的临界攀移距离Lp为： m3为单个原子体积，o11为映像位错的映像力Fim所 Lp=dpecos中 (11) 造成的刃位错攀移的正应力，且有： 对于柏氏矢量为110]和滑移面为(111)的直 =6-g-户5 G品 (7) 刃位错，满足[112](mnp)条件的自由表面有 (111)、(110)、(312)和(241).这时当在温度600K、 式中，S为位错的攀移距离.把式(7)代入式(6)得： 时间Ih时的os中值和这时的临界攀移距离L。如 PnS=1795.09D( T (8) 表4所示. 可见式(8)中VS为温度的函数.对攀移速度 表4表面晶体学指数与位错线平行于表面的刃位错临界攀移距离 V'n有dS=Vdt,代入式(8)积分化简得攀移距离 关系(dp=1264m) Table 4 Relation between the surface crystal indices and the critical S: slip distance of straight edge dislocation whose dislocation line parallels to surface(dp=1 264m) S= N359018,D T (9) 自由表面晶面sLJμm 自由表面晶面os单L/严m 攀移时间t=1h时的S为临界攀移距离dpe (111) 1.264 (312) 42/71.170 这时的初始攀移速度Vmc如表3所示. (110) 0 0 (241) 7/70478 表3不同温度下1时间里的刃位错的临界攀移距离及初始攀移 速度 在低温下有一部分位错线和滑移面都不平行于 Table 3 Critical climb distance and initial climb speed of edge disoca- 自由表面的刃位错能稳定存在于表层中.在高温下 tion at different temperatures in 1 h 映像力首先通常会使这些刃位错靠近表面的一端攀 温度， 自扩散系数 临界攀移距 初始攀移速度， 移出表面，位错在攀移过程中位错线会向自由表面 T/K D/(m2.s) 离，d/m V/(m"s) 弯曲，从而使位错处于稳定组态.这时自由表面存 300 3.219X10T9 1.17810-6 1.636×10-16 在稳定的刃位错组态为位错线垂直于自由表面而滑 600 7.419X10rn 1.264 1.756X×10-10 移面也垂直于自由表面，该刃位错将不可能滑移或 700 4330X10T5 &941 1.242X10-9 攀移出自由表面.纯铝表面在不同温度下通常会生 800 9.141×10厂4 3843 5.338X10-9 成不同厚度的氧化膜，氧化膜会影响到表层中位错 900 9.800X10厂B 1186 1.648X10-8 的映像力及应力状态，这时的位错组态有待深入 研究. 当直刃位错的滑移面和自由表面平行时，可以 看出温度升高时，临界攀移距离和初始攀移速度都 4结论 相应升高很快.室温300K时，表面能攀移位错距 映像力会造成纯铝低维材料的低位错态，使其 离为1.178×106m,远小于一个原子间距，这时 力学性能大为增加.常温下映像力会使晶体中靠近 的初始攀移速度很慢为1.636×1016ms,可以 表面的直位错产生滑移，造成纯铝表面有一层微米/ 认为在室温附近温度下的表面刃位错不发生攀移： 亚微米级的低位错密度区.长时间在高温下映像力 当温度在600K时，在1h内表面能攀移出的直刃位 会使表层中一部分刃位错攀移出来位错密度进一
3 自由表面内的刃位错的攀移 在一定温度下映像力会使滑移面平行于自由表 面的直刃位错以一定速度 Vn 向表面攀移, 即 Vn 为[ 12] : Vn = 2πDs( T) σ11 Ψ bln( R/ r 0) kT + δc c0 ( 6) 式中, ln( R / r 0)可假设为 10 [ 11] , 无外力作用下时晶 体中原来的空位浓度是平衡浓度, 即 δc =0, Ds( T ) 为铝的自扩散系数, 且有 Ds( T ) =D0exp( -Q/ R T), 纯铝的扩散常数 D0 =171 ×10 -6 m 2·s -1 、扩 散激活能 Q =142 kJ·mol -1[ 13] , Ψ=1.225 ×10 -29 m 3 为单个原子体积, σ11为映像位错的映像力 F im所 造成的刃位错攀移的正应力, 且有 : σ11 =σim = Fim b = Gb 4π( 1 -υ) S ( 7) 式中, S 为位错的攀移距离.把式( 7) 代入式( 6) 得: V n S =1 795.09 Ds( T) T ( 8) 可见式( 8) 中 Vn S 为温度的函数.对攀移速度 Vn 有 dS =V ndt, 代入式( 8) 积分化简得攀移距离 S : S = 3 590.18 t Ds( T) T ( 9) 攀移时间 t =1 h 时的 S 为临界攀移距离 dpc, 这时的初始攀移速度 Vnc如表 3 所示. 表 3 不同温度下 1 h 时间里的刃位错的临界攀移距离及初始攀移 速度 Table 3 Critical climb distance and initial climb speed of edge dislocation at different temperatures in 1 h 温度, T/ K 自扩散系数, Ds/( m 2·s -1 ) 临界攀移距 离, d pc /μm 初始攀移速度, V nc/ ( m·s -1 ) 300 3.219×10-29 1.178×10 -6 1.636×10 -16 600 7.419×10-17 1.264 1.756×10 -10 700 4.330×10 -15 8.941 1.242×10 -9 800 9.141×10 -14 38.43 5.338×10 -9 900 9.800×10 -13 118.6 1.648×10 -8 当直刃位错的滑移面和自由表面平行时, 可以 看出温度升高时, 临界攀移距离和初始攀移速度都 相应升高很快 .室温 300 K 时, 表面能攀移位错距 离为 1.178 ×10 -6 μm, 远小于一个原子间距, 这时 的初始攀移速度很慢为 1.636 ×10 -16 m·s -1 , 可以 认为在室温附近温度下的表面刃位错不发生攀移 ; 当温度在 600 K 时, 在 1 h 内表面能攀移出的直刃位 错的临界距离为 1.264 μm, 在此距离的刃位错的初 始攀移速度为 1.756 ×10 -10 m ·s -1 , 即距表面 1.264 ×10 -6 m 厚的刃位错可能攀移出来, 可以判 断当纯铝长时间在高温下时, 表层刃位错将有一部 分攀移出来 . 当直刃位错的位错线平行于自由表面而滑移面 不平行于自由表面时, 如图( 2)所示, 根据文献[ 11] 中映像位错作用使刃位错攀移的应力 σc 为: σc = Gbcos 4πLp( 1 -υ) ( 10) 结合式( 2)可得滑移面与自由表面夹角为 的 直刃位错的临界攀移距离L p 为: Lp =dpccos ( 11) 对于柏氏矢量为[ 1 1 - 0] 和滑移面为( 111) 的直 刃位错, 满足[ 11 2 - ] ∥( m n p ) 条件的自由表面有 ( 111) 、( 11 - 0) 、( 312)和( 2 - 41) .这时当在温度 600 K 、 时间 1 h 时的 cos 值和这时的临界攀移距离 Lp 如 表 4 所示. 表 4 表面晶体学指数与位错线平行于表面的刃位错临界攀移距离 关系( d pc=1.264μm) Table 4 Relation between the surface crystal indices and the criti cal slip distance of straight edge dislocation whose dislocation line parallels to surface( d pc=1.264μm) 自由表面晶面 cos Lp/μm ( 111) 1 1.264 ( 1 1 - 0) 0 0 自由表面晶面 cos Lp/μm ( 312) 42/ 7 1.170 ( 2 - 41) 7/ 7 0.478 在低温下有一部分位错线和滑移面都不平行于 自由表面的刃位错能稳定存在于表层中.在高温下 映像力首先通常会使这些刃位错靠近表面的一端攀 移出表面, 位错在攀移过程中位错线会向自由表面 弯曲, 从而使位错处于稳定组态.这时自由表面存 在稳定的刃位错组态为位错线垂直于自由表面而滑 移面也垂直于自由表面, 该刃位错将不可能滑移或 攀移出自由表面.纯铝表面在不同温度下通常会生 成不同厚度的氧化膜, 氧化膜会影响到表层中位错 的映像力及应力状态, 这时的位错组态有待深入 研究. 4 结论 映像力会造成纯铝低维材料的低位错态, 使其 力学性能大为增加 .常温下映像力会使晶体中靠近 表面的直位错产生滑移, 造成纯铝表面有一层微米/ 亚微米级的低位错密度区.长时间在高温下映像力 会使表层中一部分刃位错攀移出来, 位错密度进一 第 11 期 李 东等:映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响 · 1107 ·
。1108 北京科技大学学报 第29卷 步降低.在低位错密度区中位错滑移的稳定组态是 J Electrochem Soc,1994.141:3361 位错线垂直于自由表面与位错滑移面的交线.刃位 【可毛卫民，蒋恒，杨平，等.微观结构和微量元素对铝箔腐蚀结 构的影响.中国有色金属学报.200414(10)：1627 错攀移的稳定组态是刃位错的位错线垂直于自由表 [7 Chechenin N G.Bottiger J,Krog J P.Nanoindentation of amor 面而滑移面也垂直于自由表面.而表面有氧化膜中 phous aluminum oxide films.Thin solid films,1997.304:70 状态的纯铝表面位错组态还有待继续深入研究. [8 Wu H,Hebert K R.Electrochemical transients during the initial moments of anodic oxidation of aluminum.Electrochim Acta. 参考文献 2002.47:1373 【刂毛卫民，何业东.国产电解电容器用极铝箔的发展与展望.世 【身Biby B A,Miller K J,Willis J R.Fune由nentals of Deformation 界有色金属，20048)：23 and Fractur:Eshelby Memorial Symposium.New York:Cam- [2]Osaw a N,Fukuoka K.Pit nuceation behavior of aluminum foil bridge University Press,1985:400 for electrolytic capacitors during early stage of DC etching Corros [10 Verhoeven J D.Fundamentals of Physical Metallurgy.New Sci2000.42:585 York:John Wiley Sons,1975:64;525 [3]Thompson G E,Wood G C.Effect of alterrating voltage on alu- [11]Head A K.Edge dislocation in inhomogeneous media.Proc Phys minum electmdes in hydrochloric acid.Corros Sci,1978,18: S0cB.1953.66:793 721 【12余永宁，毛卫民.材料结构.北京：治金工业出版社，2001： [4]Nabi T M.Sambe H.Ramaker DE.AFM study of topogmplical 217 changes on alminum surfaces in sulfuric acid under bw cument 13 Minamino Y.Yasuda T.Araki H.et al Interdiffusion in himary anodic dissolution.J Electroanal Chem.2001.501:33 aluminium alloys and atom size effects Def Diffus Forum, [5]Wu X.Kumar P A.Lym K G,et al.Detection of corrosionre- 1989.66/69:1251 lated defects in alminum using positron annihilation spectrosoopy. Influence of image force on dislocation configuration near free surface of high purity aluminium LI Dong,MAO Weimin,YU Yongning Materials Science and Engineering School,University of Science and Techmology Beijing.Beijing 100083.Chir ABSTRACT The slip stress acting on straight screw and edge dislocations in surface layer of pure aluminum was investigated based on the analysis of dislocation image force.The size of low dislocations'density area of the surface layer and the critical slip distance of the dislocations induced by image stress effects were calculated theo retically.The relationship betw een critical climb distance and temperature of straight edge dislocation was dis cussed.The relatively stable dislocation configuration around the surface layer was indicated. KEY WORDS pure aluminum;dislocation;image force;critical slip distance;critical climb distance
步降低.在低位错密度区中位错滑移的稳定组态是 位错线垂直于自由表面与位错滑移面的交线 .刃位 错攀移的稳定组态是刃位错的位错线垂直于自由表 面而滑移面也垂直于自由表面 .而表面有氧化膜中 状态的纯铝表面位错组态还有待继续深入研究. 参 考 文 献 [ 1] 毛卫民, 何业东.国产电解电容器用极铝箔的发展与展望.世 界有色金属, 2004( 8) :23 [ 2] Osaw a N, Fukuoka K .Pit nucleation behavior of aluminum foil f or electrolytic capacit ors during early st age of DC etching.Corros Sci, 2000, 42:585 [ 3] Thompson G E, Wood G C .Effect of alternating volt age on aluminum electrodes in hydrochlori c acid.Corros Sci, 1978, 18: 721 [ 4] Nabi T M, S ambé H, Ramaker D E .AFM study of t opographi cal changes on aluminum surf aces in sulfuric acid under low cu rren t anodic dissolution.J Electroanal Chem, 2001, 501:33 [ 5] Wu X, Kumar P A, Lynn K G, et al.Det ection of corrosion-related defects in aluminum using positron annihilation spectroscopy . J Electrochem Soc, 1994, 141:3361 [ 6] 毛卫民, 蒋恒, 杨平, 等.微观结构和微量元素对铝箔腐蚀结 构的影响.中国有色金属学报, 2004, 14( 10) :1627 [ 7] Chechenin N G, Bottiger J, Krog J P.Nanoinden tation of amorphous aluminum oxide films.Thin solid films, 1997, 304:70 [ 8] Wu H , Hebert K R.Electrochemical transients du ring the initial moments of anodic oxidation of aluminum .Electrochim Acta, 2002, 47:1373 [ 9] Bilby B A, Miller K J, Willis J R.Fundament als of Def ormation and Fracture :Eshelby Memori al Symposium .New York:Cambridge University Press, 1985:400 [ 10] Verhoeven J D.Fundamentals of Physical Met allurgy, New York:Joh n Wiley &Sons, 1975:64;525 [ 11] Head A K .Edge dislocation in inhomogeneous media.Proc Phys Soc B, 1953, 66:793 [ 12] 余永宁, 毛卫民.材料结构.北京:冶金工业出版社, 2001: 217 [ 13] Minamino Y, Yasuda T, Araki H, et al.Interdiffusion in binary aluminium alloys and at om size effects.Def Diffus Forum, 1989, 66/ 69:1251 Influence of image force on dislocation configuration near free surface of high purity aluminium LI Dong, MAO Weimin, YU Yongning Materials S cience and Engineering S chool, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, C hina ABSTRACT The slip stress acting on straight screw and edge dislocations in surface layer of pure aluminum w as investig ated based on the analysis of dislocation image force .The size of low dislocations' density area of the surface layer and the critical slip distance of the dislocations induced by image stress effects w ere calculated theoretically .The relationship betw een critical climb distance and temperature of straight edge dislocation was discussed .The relatively stable dislocation configuration around the surface layer w as indicated . KEY WORDS pure aluminum ;dislocation ;image force ;critical slip distance ;critical climb distance · 1108 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷