導(dǎo)讀：本文證明鎢中螺位錯(cuò)滑行運(yùn)動(dòng)的高活化勢(shì)壘導(dǎo)致螺位錯(cuò)之間的排斥相互作用，并在未預(yù)期的施加載荷條件下觸發(fā)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。原位透射電子顯微鏡證實(shí)了排斥性耦合運(yùn)動(dòng)和排斥力的消失對(duì)于排斥性螺旋位錯(cuò)與熱激活（低溫）狀態(tài)下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的扭結(jié)對(duì)機(jī)制兼容。本文提出了一種影響扭結(jié)對(duì)bcc金屬加工硬化的新機(jī)制。排斥性導(dǎo)向的螺型位錯(cuò)在沒(méi)有附加施加應(yīng)力的情況下共同滑動(dòng)，而不是阻礙移動(dòng)的螺釘錯(cuò)位的運(yùn)動(dòng)，這可能有助于更好地理解高變形bcc金屬延展性的增加。
金屬材料因其良好的可成型性，強(qiáng)度和韌性而主要用于技術(shù)應(yīng)用中。這種良好的材料性能組合從根本上取決于塑性變形過(guò)程中的加工硬化。由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，金屬在不可逆的塑性變形下對(duì)機(jī)械載荷的響應(yīng)在微觀尺度上發(fā)生。位錯(cuò)一般在密排面上滑移，位錯(cuò)滑移會(huì)導(dǎo)致材料在滑移面上方和下方在伯氏矢量方向上產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。實(shí)際塑性變形是位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)增殖和湮滅相互作用的結(jié)果，在良好的滑移系上，以滑移面和伯氏矢量為特征，位錯(cuò)在材料受力時(shí)共同移動(dòng)并成倍增加，位錯(cuò)密度急劇增加，這反過(guò)來(lái)又被認(rèn)為導(dǎo)致了加工硬化，其表現(xiàn)為在應(yīng)變時(shí)材料的流動(dòng)應(yīng)力的增加。
加工硬化依賴于金屬的晶體結(jié)構(gòu)，例如金屬，像鋁或銅這樣的面心立方（fcc）金屬通常比像鐵或鎢這樣的體心立方（bcc）金屬加工硬化更強(qiáng)。位錯(cuò)在不同滑動(dòng)面上的長(zhǎng)程相互作用是由位錯(cuò)引入的彈性畸變引起的。另外，位錯(cuò)相交處的短程相互作用會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)周圍的原子排列發(fā)生變化，并導(dǎo)致形成位錯(cuò)纏結(jié)。將加工硬化稱為林硬化的解釋是基于位錯(cuò)在傾斜滑移系統(tǒng)上的相互作用阻礙了可移動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致進(jìn)一步塑性變形的應(yīng)力增加。
所有的加工硬化模型都在本質(zhì)上假設(shè)位錯(cuò)之間的相互作用總是通過(guò)排斥接近或釘扎連接來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這阻止了位錯(cuò)的釋放和進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。因此，加工硬化模型都包括對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的貢獻(xiàn)，該貢獻(xiàn)與平均位錯(cuò)間距L成反比，而平均位錯(cuò)間距L又與位錯(cuò)密度有關(guān)。盡管這些隱含假設(shè)和由此產(chǎn)生的加工硬化模型對(duì)于高溫fcc金屬或bcc似乎是合理的，其中位錯(cuò)滑移僅由滑移面上的切應(yīng)力控制。
在低溫下的bcc金屬中，螺型和非螺型位錯(cuò)對(duì)外加應(yīng)力有完全不同的響應(yīng)。非螺型位錯(cuò)可以彎曲，其運(yùn)動(dòng)完全由滑移面的剪切應(yīng)力控制，相反，螺型錯(cuò)位保持筆直，應(yīng)力張量的其他分量影響其滑動(dòng)行為。螺型位錯(cuò)的復(fù)雜核心結(jié)構(gòu)及其對(duì)非滑動(dòng)應(yīng)力的敏感性是這種所謂的非施密特行為的起源。據(jù)認(rèn)為，這種核心結(jié)構(gòu)通過(guò)連續(xù)的成對(duì)運(yùn)動(dòng)在原本筆直的螺旋位錯(cuò)線上使螺位錯(cuò)滑動(dòng)，并導(dǎo)致低溫下bcc金屬的熱活化變形行為。但是，人們還不清楚位錯(cuò)在低溫條件下對(duì)硬化工作的作用。
基于此，本文使用離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)（DDD）模擬和原位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了bcc金屬中螺型位錯(cuò)的相互作用，排斥性導(dǎo)向的螺型位錯(cuò)在沒(méi)有附加施加應(yīng)力的情況下共同滑動(dòng)，而不是阻礙移動(dòng)的螺釘錯(cuò)位的運(yùn)動(dòng)，這可能有助于更好地理解高變形bcc金屬延展性的增加。相關(guān)研究結(jié)果以題為“Repulsion leads to coupled dislocation motion and extended work hardening in bcc metals”發(fā)表在Nature communication上。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18774-1
圖1. 模擬設(shè)置和耦合運(yùn)動(dòng)
圖2. 排斥相互作用位錯(cuò)的應(yīng)力分布
圖3.耦合滑移的原位TEM觀察：不同時(shí)間步長(zhǎng)的位錯(cuò)滑移的實(shí)驗(yàn)觀察
圖4.鎢單晶在[100]和[111]加載方向上的變形行為
綜上所述，基于bcc金屬非共面滑移系統(tǒng)之間的排斥相互作用，本文提出了一種影響扭結(jié)對(duì)bcc金屬加工硬化的新機(jī)制。排斥性導(dǎo)向的螺型位錯(cuò)在沒(méi)有附加施加應(yīng)力的情況下共同滑動(dòng)，而不是阻礙移動(dòng)的螺釘錯(cuò)位的運(yùn)動(dòng)。目前的工作表明，相互作用區(qū)域僅限于相互作用位錯(cuò)的很小區(qū)域。這些結(jié)果深刻地改變了內(nèi)部應(yīng)力的概念，至少在bcc金屬或扭結(jié)對(duì)機(jī)制控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的材料中。
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