在磁场中加热对单晶铝力学性能和位错密度的影响

施可琢 帅三三 雷力明 王 江 任忠鸣

（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444；3.中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 200241）

磁场能有效改善材料的微观组织和力学性能，因此已被广泛用于科学研究和工业生产［1］。磁场对金属再结晶、晶粒长大、晶体形貌、组织均匀化、相变、织构形成等均有影响［2-6］，施加一定强度的磁场将影响材料内位错的状态，进而改善材料的塑性和强度等力学性能。近几十年来的研究发现，某些材料在磁场中会显示出“磁致塑性”，其原因是磁场影响材料中位错的运动。

磁场对金属塑性的影响最早由Kravchenko等提出［1，7］。Alshits 等［8］试验发现，磁场能促进NaCl晶体中的位错运动，且这种作用已在碱金属卤化物中得到了证实。后来，在原子水平上的磁致塑性效应得到了广泛研究。Molotskii等［2，9］将Granato-Lucke的模型［10］引入Kravchenko的理论框架［7］，描述了电子云的黏度和位错段的振幅对位错内摩擦的影响，并认为磁场改变了顺磁性杂质的电子能态［11］，从而增加了位错钉扎点的退钉扎率和位错自由段长度［12］。

近年来，有人研究了磁场对镁［13］、铝［7，14］和钛［15-16］等固态金属的位错、微观结构和力学性能的影响，并采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜和能谱分析研究了位错和磁致塑性［14，16-17］。然而，复杂的微观组织和晶界对位错运动的阻碍作用使多晶合金的塑性变形机制变得非常复杂。由于单晶具有较简单的微观组织且无晶界，能更准确地表征晶体内的位错分布和变化。

因此本文选用单晶铝作为研究对象，以便更直观地揭示由磁场引起的位错变化与力学性能改善之间的关系。将单晶铝在交变磁场中加热，检测加热前后单晶铝的拉伸性能和硬度；在静磁场中测定单晶铝的硬度并计算位错密度；探讨磁场影响单晶铝力学性能的机制。

1 试验材料与方法

采用改良的Bridgman方法［18］制备［001］取向的单晶铝，其原料为纯度99.99%（质量分数）的高纯铝。交变磁场加热炉的示意图如图1（a）所示。该装置主要由加热炉、磁场发生系统、温度控制器和变压器组成。待加热的单晶铝封装在真空石英管中，炉温由热电偶控制，精度为±1℃。

图1 在交变磁场中加热（a）和在静磁场中测定硬度（b）的示意图Fig.1 Schematic diagrams of heating specimen in an alternating magnetic field（a）and measuring hardness in a static magnetic field（b）

为了揭示交变磁场和温度对单晶铝强度和塑性的影响，将试样在交变磁场中加热6 h后空冷，具体的试验参数如表1所示。采用Bruker Advance D8型X射线衍射仪以40 kV的加速电压和40 mA的发射电流测定试样的位错密度。采用MTS Criterion拉伸机在平行于［001］晶向的加载轴方向进行室温拉伸试验，初始拉伸速率为3×10－4s－1，采用12 mm 夹式引伸计。拉伸试样标距为25 mm，横截面尺寸为3 mm×6 mm。每组拉伸3个试样。

表1 施加和未施加交变磁场加热单晶铝的温度和时间Table 1 Temperatures and durations of heating the single crystal aluminum with and without the application of alternating magnetic field

此外，为了研究静磁场对单晶铝塑性的影响，采用非磁性硬度测量装置在静磁场中测定单晶铝的硬度。该装置由永磁体和定制的非磁性维氏硬度计组成，能确保硬度测量的精度不受永磁体的影响，其示意图如图1（b）所示。通过采用不同的永磁体获得0、0.2、0.5 和0.6 T 的静磁场强度，试验力0.98 N，加载时间15 s。为了分析单晶铝在静磁场中测定硬度后位错的变化，在49 mL HCl＋47 mL HNO3＋4 mL HF的混合溶液中蚀刻试样1～2 s，然后在光学显微镜下观察试样表面的位错腐蚀坑。

2 试验结果与分析

2.1 原始组织

通常，金属材料的塑性与位错密度密切相关。本文通过观察试样表面的位错腐蚀坑来揭示单晶铝中的位错与塑性之间的关系。单晶材料中，位错处的能量较高，易被腐蚀。由于各向异性，晶体被腐蚀后将显现不同的几何轮廓，据此可确定单晶的取向，如（100）、（110）、（111）晶面被腐蚀后分别显示为方形、矩形和三角形的凹坑［1，19］。因此，该方法可用于定性表征金属材料中的位错密度和分布。

图2为有蚀刻凹坑的单晶铝试样在扫描电子显微镜下的形貌。图2（a）为低倍下位错腐蚀坑的分布，比较均匀。图2（b）为位错腐蚀坑的高倍图像，其轮廓类似于正方形，表明是单晶，取向为［001］［19-20］。

图2 单晶铝位错腐蚀坑的低倍（a）和高倍（b）形貌Fig.2 Lower-magnification（a）and higher-magnification（b）views of dislocation etch pits in the single crystal aluminum

2.2 交变磁场对单晶铝力学性能的影响

图3为施加和不施加交变磁场加热至不同温度空冷后单晶铝的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。从图3可见，在0.1 T交变磁场中加热可提高单晶铝的强度和塑性，250和325℃加热单晶铝的屈服强度分别提高了49.3%和28.1%（图3（a）），抗拉强度分别提高了14.1%和2.6% （图3（b）），断后伸长率分别提高了24.7% 和17.2%（图3（c））。可见，在交变磁场中加热能使单晶铝的强度和塑性均得到改善。

图3 在不同强度磁场中于不同温度加热6 h空冷的单晶铝的力学性能Fig.3 Mechanical properties of the single crystal aluminum heated at different temperatures for 6 h in different intensities of magnetic fields，then air cooled

金属材料的力学性能与其位错密度密切相关［15］。图4为未加热和在0.1 T交变磁场中不同温度加热后空冷的单晶铝的X射线衍射图谱。

图4 未加热和在0.1 T交变磁场中不同温度加热后空冷的单晶铝的X射线衍射图谱Fig.4 X-ray diffraction patterns of the single crystal aluminum not heated and heated at different temperatures in magnetic field with intensity of 0.1 T，then air cooled

显然，在交变磁场中加热后，单晶铝的衍射图谱发生了显著变化，其半高宽参数可用来定量表征位错密度［15-16］。通常，采用Dunn 公式［21］根据半高宽计算位错密度：

式中：ρ为位错密度；l为半高宽；b为Burgers常数。图5（a）为施加和未施加交变磁场加热的单晶铝的半高宽。通过计算得出，与未施加交变磁场加热的单晶铝相比，在0.1 T交变磁场中于250和325℃加热的单晶铝的位错密度相应增加了7.6%和8.3%。图5（b）为在交变磁场中加热前、后单晶铝半高宽的差值。可以看出，在交变磁场中加热的单晶铝的半高宽差值明显大于仅经过加热的单晶铝。可以推测，在交变磁场中加热的单晶铝位错密度增大，产生了位错强化和磁致塑性效应，因此其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均有所提高。

图5 加热温度和交变磁场强度对单晶铝半高宽（a）和半高宽差（b）的影响Fig.5 Influence of heating temperature and alternating magnetic field intensity on the full width at half maximum（a）and the difference in the full width at half maximum（b）for the single crystal aluminum

2.3 静磁场对单晶铝塑性的影响

为研究磁场对单晶铝塑性的影响，在不同强度静磁场中测定了单晶铝的硬度，结果如图6所示。随着磁场强度从0增加到0.6 T，单晶铝的硬度从28.0 HV0.1 降低到了24.6 HV0.1，表明由于磁致塑性效应，静磁场会导致单晶铝的硬度降低。

图6 静磁场强度对单晶铝硬度的影响Fig.6 Effect of static magnetic field intensity on hardness of the single crystal aluminum

在一定范围内，位错密度的增加能改善塑性，导致硬度降低［17］，即硬度较低的材料通常具有较高的位错密度。位错处的能量较高，易被腐蚀，采用合适的腐蚀方法可观察到材料表面的位错腐蚀坑，可根据位错腐蚀坑的数量评估单晶铝的位错密度和塑性。从图7（a）可以看出，在静磁场中测定硬度的单晶铝有更多位错腐蚀坑，根据图7（a）统计了位错腐蚀坑的数量。图7（b）为位错腐蚀坑数量与换算后的位错密度。可以看出，随着静磁场强度从0增大至0.6 T，单晶铝中位错腐蚀坑的数量和位错密度均增大，因此可以推断，硬度的降低与由静磁场引起的位错密度增加有关，位错密度的增大导致了单晶铝在受压缩时的塑性改善。通常认为，静磁场能降低位错形核能、加速位错运动、增大位错密度，并促进内应力释放［12］。因此，单晶铝塑性的提高可能与静磁场提高单晶铝内位错的可移动性有关。

图7 静磁场强度对单晶铝中位错蚀坑的形貌和数量（a）及位错密度（b）的影响Fig.7 Effects of static magnetic field intensity on pattern and quantity of dislocation etch pits（a）and dislocation density（b）in the single crystal aluminum

2.4 磁场对量子尺度电子自旋的影响

在原子尺度上，磁场导致的位错密度变化可归因于电子自旋状态的改变［17，22］。铝是顺磁性金属，其原子核外电子具有顺磁性特征，单晶铝中的位错或其他障碍同样具有顺磁性特征［14］。当位错与顺磁性障碍之间的距离足够小（小于10－9m）时，位错的钉扎中心与障碍物之间的自由电子极易形成自由基对。

位错与障碍物之间形成的自由基对具有两种不同的自旋状态，即自旋方向相反的单重态（S态）和自旋方向相同的三重态（T态）［16］，通常自由基对处于S态。在这种状态下，自旋磁矩被抵消，位错运动需要更大的能量，导致塑性降低［12，23］。与S态相比，T态能量较低，更为稳定，对应于位错运动的障碍较少，材料具有较好的塑性。

磁场通过解除S态与T态间的转化障碍来影响自由基对的形成动力学，从而导致T态自由基对的增多［24］。Salikhov 等［25］提出了电子对自旋状态发生转化的机制，称为“Δg机制”。该机制认为，由于磁场中电子对的Lande因子（g）有差异，从而产生Larmor进动频率差，进而改变电子对的自旋状态。进动频率表达式［25］：

式中：B为磁感应强度，μ为电子磁矩；h为普朗克常数；ωp为进动角频率。当处于S态的电子对受到磁场作用时，Lande因子发生变化（Δg约为10－4～10－3），使得电子对从S态向T态转换的频率提高（从0 增大至10－9～10－8Hz）［16，26］。

此外，磁场也影响位错的自由段长度，从而影响材料的可塑性［11］。磁场中位错的自由段长度可按如下公式［3］计算：

式中：L0为原试样内位错的自由段长度；LH为磁场中试样内位错的自由段长度；H为外加磁场强度；H0为促使位错从顺磁性障碍处退钉扎的特征磁场强度。由式（3）可知，施加磁场后位错的自由段长度增大。

可见，磁场能影响自由基对从S态转变为T态并增加位错的自由段长度，从而促进位错运动和增殖［27］。可以推断，当单晶铝在交变磁场中加热或在静磁场中被压缩时，自由基对可能从S态转变为T态，且位错的自由段长度增加。因此，位错可能更易脱钉、运动加快、密度增大［11］。这是单晶铝的塑性和强度均得到改善的原因。

3 结论

（1）在0.1 T交变磁场中于250℃加热后空冷的单晶铝，其屈服强度提高了49.3%，断后伸长率提高了24.7%，这主要是位错密度增大所致。

（2）当磁场强度从0增加到0.6 T时，在静磁场中测定的单晶铝的硬度降低了12.1%，位错蚀坑数量增加了33.1%，显示出了磁致塑性效应。

（3）施加磁场能促进自由基对电子自旋状态的改变，增加位错的自由段长度，从而促进位错的运动和增殖，改善了材料的塑性。