《Nature》子刊：破除爭議！原子尺度揭示金屬硬化起源

導讀：幾千年來，人類已經利用金屬的自然特性在機械變形時變得更堅固。金屬硬化機制的最終根源在於位錯的運動，它一直是材料學家一個多世紀以來關注的焦點。本文沒有從幾十年來一直追求的位錯理論的潛在機制中推導出硬化，而是在超級計算的極限下進行了原子模擬，這些模擬足夠大，足以在統計學上代表宏觀晶體塑性，完全解決了在原子運動的最基本水平上揭示金屬硬化的起源。證明了普遍的金屬階段(彎曲)硬化是單軸應變下晶體旋轉的結果。與文獻中的觀點相矛盾，本文觀察到在金屬硬化的所有階段，位錯行為的基本機制是相同的。

金屬硬化的根本原因直到86年前才被發現，當時人們認為是位錯造成了晶體的塑性。然而，儘管位錯和晶體塑性之間的直接因果關係現在已經牢固地建立起來，但沒有定量理論存在來直接從晶格位錯的潛在行為來預測金屬硬化。這並不是因為缺乏嘗試，因為許多理論和模型不斷湧現，這些理論和模型從位錯機制解釋了金屬硬化，通常是基於不同（如果不是相反）的觀點。但正如物理學家艾倫·科特雷爾(Alan Cottrell)所認為的那樣，加工(變形)硬化可能是古典物理學中最困難的遺留問題(比湍流還糟糕)，而且很可能是最後解決的。在擱置仍在進行的關於應變硬化機制的爭論時，最基本的困難是我們一直無法觀察位錯在應變過程中發生了什麼。

儘管物理學家們努力理解和量化應變硬化，但用於優化金屬加工（例如鍛造，軋制或擠壓）的材料模型仍然是現象學的，並且基於經驗觀察，很大程度上早於晶體位錯的概念。

基於此，美國史丹福大學Rodrigo Freitas & Vasily V. Bulatov團隊依靠一臺超級計算機來澄清是什麼導致了金屬硬化。他們沒有從幾十年來一直追求的位錯理論的潛在機制中推導出硬化，而是在更基本的水平上進行了超大型計算機模擬，即晶體的原子運動。確切地說，是單個原子的運動如何轉換為位錯的運動，然後合起來產生金屬硬化，發現了階段性硬化是晶體旋轉的直接表現。相關成果以題「Atomistic insights into metal hardening」發表在國際材料頂刊Nature Materials上。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00815-1#Sec6

本文將注意力集中在澄清所謂的三階段硬化的起源上，這也是是金屬塑性方面最受爭議的方面。我們的主要觀察結果是，階段性硬化是晶體旋轉的直接表現。以降低初始滑移對稱性的順序，應力-應變曲線形狀的特徵變化直接歸因於應變過程中晶體旋轉的發生（或缺乏）。在應變作用下旋轉的五個晶體中觀察到三階段（彎曲）硬化，而在三個不旋轉的晶體的曲線中觀察到沒有彎曲的拋物線形硬化。

圖1 沿應變軸的七個不同初始方向承受拉伸應變的單個鋁晶體的應力應變響應a，從MD模擬中提取的應力應變響應。b，在單晶銅的拉伸應變測試中獲得的相應的實驗應力-應變曲線

圖2：fcc單晶的滑動晶體學。a – c，是在單軸滑移下單軸滑移系統中由於滑移而引起的晶體旋轉的示意圖。d，在立體投影中，將點P（單位球面上的軸方向）投影到點Q上。將軸方向的球形三角形（亮綠色）映射到赤道平面上的立體三角形（深綠色）上。e，fcc晶格中12個滑移系統之一的滑移方向（紅色箭頭）和滑移平面（灰色）。藍色箭頭表示滑面法線正常。f，Schmid因子的三維極坐標圖，它是相對於滑動方向（紅色箭頭）和滑動平面法線（藍色箭頭）的軸方向的函數。G在單軸應變下，fcc晶體中所有12個滑移系統的Schmid因子的外部包絡。用12種不同的顏色繪製

圖3：鋁的12個滑移系統中的應力應變響應，位錯密度和Schmid因子。a，應力與應變，b，位錯密度與應變。c，施密特因子對應變。所有這些都是在晶體的拉伸應變下計算的，應變軸最初與[101]對齊。粗線是主要和共軛滑動系統的密度，所有其他滑動系統均顯示為細線。d– f，沿著其[001]軸應變的晶體所計算的相同曲線。粗線是八個主要滑移系統的密度，細線代表四個非活動滑移系統。b，c，e和f中的線條顏色對應於圖2g中的球形三角形。

總之，在文獻中有充分的證據表明，單晶中的階段性硬化是一種普遍現象，不僅限於鋁，fcc金屬或立方晶體，而且在金屬，半導體和離子晶體等中均可觀察到。本文的仿真結果表明，三階段硬化不是材料固有的性能，而是在標準單軸測試中對樣品施加的同軸度約束的運動學結果。因此，尋求以某種方式從一個硬化階段轉換到另一個硬化階段的位錯機制中的階段性硬化的解釋幾乎沒有意義。同時，該模擬揭示了金屬可塑性的幾個潛在重要方面，需要人們更深入地研究位錯運動的細節以進行解釋。我們現在可以把應力-應變反應中的每一個波動與原子生命和位錯中的潛在事件聯繫起來。如果像我們假設的那樣，我們的高速率MD模擬和低速率實驗探索的是相同的物理，那麼本文提出的這種模擬為探究晶體塑性的基本原理提供了重要手段。