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金属材料理论发展之我见(二)---- 位错理论的建立和发展

已有 4409 次阅读 2021-1-22 15:30 |系统分类:科研笔记

在我看来,位错理论是材料科学中第一个相对完整地对于缺陷进行研究的理论体系。因此,位错理论在材料科学中的地位,类比于牛顿力学在物理学中的地位。尽管位错在材料科学中非常重要,但对于非材料专业的科学工作者,位错一词却有些陌生。简言之,位错是一种在晶体材料中常见的缺陷,对晶体材料的性能(如金属的力学性能)有很重要的影响。

不同于前面说过的吉布斯和卡恩对二维缺陷(表面界面)的研究,位错理论主要是研究一维缺陷(后来也扩展到二维缺陷)。同时,位错是晶体材料中特有的缺陷,源于晶格的离散性。位错的提出主要是因为金属材料的理论强度与实验强度有巨大差异,这种差异使材料科学家们反思由完美晶体(无缺陷)计算的强度可能并不真实,于是猜测晶体中可能存在的缺陷。位错理论在大多数材料科学基础教材中都有详细的介绍,这里我们只就位错理论建立和发展的几个历史节点进行一下总结:

  1. 20世纪初,在晶体被广泛认知之前,一些意大利科学家们(Volterra等)就认识到,如果连续介质中存在奇点,会对其力学性能产生很大的影响。

  2. 1934年,位错这一概念由三位科学家(Taylor, Polanyi, Orowan)分别独立提出。

  3. 1939年,柏格斯(J. M. Burgers)通过类比于安培环路定理的方式引入柏氏矢量,提出位错的数学描述。

  4. 20世纪50年代,位错在实验中被观测到,因此位错理论也是一个实验理论相结合的经典案例。

  5. 20世纪50年代,一些力学家(如Nye, Kroner等)提出了位错密度张量并建立了位错的连续场描述。

  6. 20世纪70年代,一些物理学家(Rougula, Toulouse等)提出了对称性破缺与拓扑缺陷的内在关联,而位错则是晶体中典型的拓扑缺陷,其动力学可以纳入规范场论。

纵观整个位错理论的发展,物理学家先行(1950年之前),材料学家和力学家跟进并作出重要贡献(1950之后)。从某种意义上说,位错理论是第一个针对材料缺陷的系统理论框架,也标志着材料科学理论从物理、化学和力学理论中独立出来。同时我们也能看到,物理理论的发展对材料理论有着领航的作用,也许对称性破缺、拓扑缺陷、规范场论这些物理概念的引入将成为材料科学理论新的发展方向

注:由于位错并不是我自己的主要研究方向,所以以上总结难免疏漏。从我对历史文献的考察,物理学家们仅对简单立方晶格中的拓扑缺陷进行了研究,而对更常见也更复杂的体心立方、面心立方和密排六方晶格并没有系统研究(把问题留给了材料学家们)。




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