導讀：微米和亞微米尺寸的樣品與塊體樣品的力學性能不同，因此有必要了解小尺度材料的力學性能，尤其有必要深入研究位錯行為。在組合加載條件下的研究還比較缺乏，不同的加載條件可能會導致不同的位錯微結構，進而改變機械性能。本文探索了承受組合載荷的單晶銅微柱的詳細位錯行為，發現在不同加載條件下產生的位錯微結構會嚴重影響小尺寸微柱的機械性能，加載的順序也強烈影響微觀結構和相應的機械效應。
微米和納米機電器件發展迅速，由於微米和亞微米尺寸的樣品與塊體樣品的力學性能不同，因此有必要了解小尺度材料的力學性能。屈服強度和均勻變形區的硬化等力學行為，可以用材料缺陷，特別是位錯行為來解釋。在連續長尺度上，一個滑動系統上的剪切不僅增加了其自身的強度（自硬化），而且還增加了所有其他滑動系統的強度（潛在硬化）。這種硬化現象可以通過位錯的相互影響來理解，其中一個滑移系統中位錯的增加會阻止其他滑移系統中的位錯移動。為了更好地了解亞微米級金屬的塑性，有必要深入研究位錯行為的細節。
對小尺度塑性的大多數研究主要集中在單調加載條件下，例如單軸拉伸/壓縮，扭轉和彎曲。但是，在組合加載條件下的研究還比較缺乏，不同的加載條件可能會導致不同的位錯微結構，進而改變機械性能。
在本研究中，來自美國德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員，採用三維位錯動力學模型探索了承受組合載荷的單晶銅微柱的詳細位錯行為。樣品大小在2000 nm至150 nm之間，具有連續性和小尺度塑性。並按以下方式將其與單調的載荷進行比較：扭轉後拉伸，以及拉伸後扭轉。相關論文以題為「Latent hardening/softening behavior intension and torsion combined loadings of single crystal FCC micropillars」近日發表在金屬材料頂刊Acta Materialia。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420301348
本文採用三維位錯動力學（dislocation dynamics，DD）模擬從應力-應變關係，位錯密度和位錯微觀結構等方面研究了各種載荷條件下的塑性變形通過研究。與簡單的拉力情況相比，在扭轉後拉伸時，尺寸較大的樣品會受到較高的流應力，這是因為初始扭力加載會在中心產生堆積，一旦拉力加載開始，就會成為單臂操作（single arm operation）的障礙。由於表面成核是塑性變形的主要機制，尺寸較小的樣品在兩種加載情況下的表現相似。但是，在中等尺寸時，兩種載荷有很大的不同。在拉力下，樣品經歷了表面成核和單臂操作的混合，並且其塑性變形行為是隨機的。在扭轉拉伸時，將導致位錯密度增加和流應力減小。在這種情況下，一個系統中滑移的激活會削弱其他滑移系統，這可以視為潛在的軟化。
在拉伸後扭轉時，發現了在樣品尺寸1000nm時為「轉變尺寸」，在這個尺寸下初始拉伸載荷開始不影響組合載荷的流變應力：這個尺寸以上的樣品，與純扭力相比，拉伸後扭轉的流動應力更高；此尺寸以下的樣品，由於表面成核的優勢，兩種情況的行為相似。
圖1加載條件示意圖（a）簡單拉力；（b）扭轉後的拉力；（c）純扭轉；（d）拉力後的扭轉
圖2在簡單拉力下的仿真結果
圖3扭轉後在拉力下的模擬結果
圖4拉力後扭轉下的仿真結果
圖5塑性流動行為的尺寸（a）塑性應變為0.2％時，拉伸vs扭轉拉伸之間的流動應力比較；（b）塑性應變為0.2％時，扭轉vs扭轉後拉伸的流動應力比較；
總之，本文研究了組合載荷對潛在硬化/軟化行為的影響，並通過三維位錯動力學模型進行比較研究。同時，在不同加載條件下產生的位錯微結構會嚴重影響小尺寸微柱的機械性能。在本研究的小樣本中，加載的順序也強烈影響微觀結構和相應的機械效應。（文：33）
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