導(dǎo)讀：本文證明鎢中螺位錯(cuò)滑行運(yùn)動(dòng)的高活化勢壘導(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)對機(jī)制兼容。本文提出了一種影響扭結(jié)對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，這反過來又被認(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排斥接近或釘扎連接來阻礙位錯(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)通過連續(xù)的成對運(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)對機(jī)制控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的材料中。
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