合金材料的拉伸試驗中，將會出現(xiàn)伴隨應(yīng)力鋸齒形跌落的雪崩式剪切變形帶。這種現(xiàn)象叫做波特文-勒夏特利埃效應(yīng)。英文為Portevin-Le Chatelier，簡稱PLC效應(yīng)，這屬于一種群集性現(xiàn)象，其本質(zhì)源于材料微細觀結(jié)構(gòu)演變過程中的動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象，即可動位錯與林位錯、溶質(zhì)原子之間動態(tài)的交互作用。在PLC效應(yīng)中，金屬合金的塑性變形分布在不同類型的帶中，包括傳播帶或“A”型帶，通常以它們的寬度和典型的傳播速度為特征。這種塑性不穩(wěn)定性是由位錯與可移動溶質(zhì)原子相互作用的集體動力學(xué)引起的，但是對應(yīng)變率的敏感性缺乏基本的理解。
近日，來自芬蘭埃斯波阿爾托大學(xué)的Tero M?kinen等研究者證明了，在鋁合金的拉伸變形實驗中通過使用高分辨率成像，帶速度顯示較大波動。相關(guān)論文以題為“Propagating bands of plastic deformation in a metal alloy as critical avalanches”發(fā)表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc7350
材料變形的復(fù)雜性是工程中的重要問題，涉及到基本的非平衡物理。當試樣受到超過線性、彈性響應(yīng)的載荷時，就會遇到這種現(xiàn)象。然后，金屬的屈服和破壞前的塑性變形在不同的時間和空間尺度上表現(xiàn)出非常復(fù)雜的性質(zhì)。這帶來的挑戰(zhàn)從塑性變形雪崩到有限樣本屈服應(yīng)力的統(tǒng)計波動到變形定位。
局部化的一個典型表現(xiàn)是剪切帶的出現(xiàn)，本文研究者分析了PLC效應(yīng)。當載荷超過屈服點時，PLC效應(yīng)意味著試樣中會產(chǎn)生變形帶(圖1)：這些變形帶會成核，可能會傳播，也可能不會傳播，這取決于存在的PLC不穩(wěn)定性的等級（在常用分類中，類型A表示傳播波段，類型B和C表示非傳播波段）。變形帶伴有材料的不穩(wěn)定性：拉伸試驗時，應(yīng)力下降，形成鋸齒狀的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1B)。這種應(yīng)變率敏感性是以應(yīng)變率相關(guān)的現(xiàn)象出現(xiàn)的；此外，它的性質(zhì)和存在取決于溫度。PLC效應(yīng)是由動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)引起的，其關(guān)鍵物理是作為塑性變形基本載體的位錯與合金中溶質(zhì)原子的相互作用。在介觀層面上，已經(jīng)提出了增加復(fù)雜性的理論，以解釋必要的位錯物理:基本的不動和“老化”的位錯，溶質(zhì)束縛位錯，以及產(chǎn)生塑性變形的動位錯。這樣的模型和大量的實驗最近被引入來探索PLC效應(yīng)的物理:在帶形成核中的相位和動力學(xué)，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線的鋸齒，從效應(yīng)的聲發(fā)射，等等。
圖1 散斑圖像變形帶的特征。
研究者采用了一種完全不同的粗粒化方法，即把條帶簡化為零維的“粒子”。通過使用高分辨率對鋁合金的拉伸變形實驗成像，顯示帶速度顯示較大波動。每個帶產(chǎn)生一個速度信號，使人聯(lián)想到在許多驅(qū)動雪崩系統(tǒng)中觀察到的裂紋噪聲爆發(fā)，從斷裂中的裂紋傳播到鐵磁中的巴克豪森效應(yīng)。這些速度爆發(fā)的統(tǒng)計特征包括它們的平均形狀和大小分布服從一個簡單的臨界雪崩動力學(xué)平均場模型的預(yù)測。因此，該結(jié)果揭示了一個先前未知范式的臨界性局部變形。
圖2 平均速度。
圖3 固定持續(xù)時間的平均帶速度剖面。
圖4 雪崩大小的統(tǒng)計。
圖5 實驗設(shè)置。
綜上所述，研究者結(jié)果表明，相互作用，移動的位錯造成了金屬合金的變形雪崩。這里，必要的條件是特定窗口內(nèi)的溫度和應(yīng)變率值，這樣就可以觀察到傳播或A型PLC帶。鑒于此，雪崩遵循平均場類似ABBM模型的模式。
（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學(xué)與工程”。
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