頂尖期刊論文：小尺寸範圍位錯與塑性變形的關係

由於結構部件的小型化，扭轉用線材的應用範圍擴展到小尺寸範圍。用於新型智慧型手機的螺釘小於1mm，微型電機的軸直徑可達幾百微米，用於醫療技術而鑽頭的直徑只有幾微米。在微米尺度上，必須考慮內部長度方向的尺寸，以獲得扭轉載荷下的尺寸效應。此外，由於複雜的物理機制（包括在線性外部應力場作用下的位錯堆積以及經受不同解析剪切應力場的滑移系相互作用），微絲在扭轉下具有挑戰性。

來自卡爾斯魯厄理工學院的一項研究中，通過基於均質機理的位錯源模型擴展了三維晶體塑性連續公式，這使得能夠在扭轉下對<1 0 0>取向的單晶微絲的位錯微結構演化進行分析。相關論文以題為「Analysis of single crystalline microwires under torsion using a dislocation-based continuum formulation」發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420302548

在本文中，該公式已在簡單的基準系統上進行了驗證。根據理論上的考慮並通過仿真結果驗證，<1 0 0>取向的微絲滑移系統根據可以分為兩組，滑移系統位錯密度的數量和排列以及滑移系統的位置，中性軸上位錯堆積的螺位錯和刃位錯GND密度的比率。研究發現，各個滑動系統的以特有的方式影響位錯微觀結構。

圖1 基準滑移系統的總位錯密度變化

對於受扭的金屬絲，在表面附近會產生位錯密度，並根據應力場將進入入金屬絲中，並在金屬絲的中心積累，從而在橫截面上形成不均勻的星形空間分布。因此，出現了在整個橫截面上的特徵性位錯密度分布。這是無法通過CTT理論或旋轉軸模型進行建模的。結果顯示在金屬絲中心有一個連續區域，而在表面附近有一個幾乎恆定的塑性應變。由於位錯密度的移動性，儘管局部應力低於位錯源激活的臨界應力，中心區域仍可發生塑性變形。

圖2 星形位錯密度結構

對於恆定的扭轉載荷，改變微絲的幾何尺寸，由於減小的微絲半徑，觀察到由於應變梯度增加而導致的位錯密度增加。對於半徑小於12 µm的微絲，觀察到由於位錯堆積而引起的尺寸效應，導致位錯密度分布更寬。對於較小的微絲半徑，這會在歸一化半徑上產生較小的塑性滑移，而由於位錯堆積，半徑大於12 µm的微絲不會顯示出這樣的尺寸效應。

圖3 提取<1 0 0>取向的1µm柱的位錯微觀結構演變

對於恆定的扭轉速率，找到了線性位錯產生速率，這與DDD模擬一致。可以證實沿理論上預測的沿著微絲的位錯取向的不均勻性。從而，證明了取向差角，旋轉軸和參考點的組合對於解釋（實驗）結果的相關性。對於考慮的負載，橫截面中位錯的相應旋轉軸在導線長度的一半處指向中心。相反，由於特定滑移系統幾何原因引起的局部滑移活動，旋轉軸在橫截面上均勻地與導線頂部和底部的扭轉軸對齊。

圖4 沿線的長度（初始曲線）的扭轉軸連續體錯位的模擬結果（綠色曲線）

綜上所述，通過基於均質機理的位錯源模型擴展了三維晶體塑性連續體公式，並將其應用於在扭轉下取向為<1 0 0>的單晶微絲。研究了單個滑移系統的基本原理，它們與位錯類型，鬆弛機制的相互作用以及對局部位錯取向的意義。近年來，對小規模材料行為和潛在物理機制的興趣顯著增長。在這種情況下，位錯對塑性的影響分析起著至關重要的作用，基於位錯的模擬可以為材料的演變提供有益的見解。（文：33）

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