一種新的加工硬化機理！直接看到了螺位錯相互作用

編輯推薦：低溫下bcc金屬的加工硬化機制尚無法用經典位錯密度理論很好地解釋。螺位錯決定了低溫下的變形行為，本文使用模擬和原位實驗系統地研究了螺位錯在bcc金屬中的相互作用，提出了一種基於非共面滑移系相互排斥作用的加工硬化機理，彌補了經典的應變硬化理論。

低溫下bcc單晶的加工硬化在高對稱加載下表現出較強的取向硬化，這是經典位錯密度理論所不能解釋的。近日，來自德國卡爾斯魯厄理工學院的D. Weygand等研究者發現，BCC金屬鎢中位錯滑移的高激活勢壘導致了螺旋位錯之間的互斥作用，並且意外地發現這觸發了位錯運動。相關論文以題為「Repulsion leads to coupled dislocation motion and extended work hardening in bcc metals」發表在Nature Communications上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18774-1

金屬材料因其良好的成形性、強度和韌性而得到了廣泛應用。通常，金屬優異的性能組合依賴於塑性變形過程中的加工硬化。金屬對塑性變形的響應在微觀尺度上是由位錯運動、晶體結構的線缺陷引起的。位錯一般在密排晶面上滑動，並產生一個沿伯格斯矢量方向的相對位移。實際上塑性變形是位錯滑移、位錯交互和位錯湮滅在以滑移平面和伯格斯矢量為特徵的特定滑移系統上相互作用的結果。位錯集體移動並繁殖，導致位錯密度的增加。這反過來被認為會導致加工硬化，表現為材料在拉伸時流動應力的增加，但也阻止進一步變形。適當的熱處理則往往可以恢復其成形性。

加工硬化取決於金屬的晶體結構，例如，面心立方(fcc)金屬，如鋁或銅，通常比體心立方(bcc)金屬，如鐵或鎢，表現出更強的硬化性。位錯在不同滑移面上不同性質的長程相互作用是由位錯引入晶格的彈性變形引起的。此外，位錯交點處的短程相互作用會導致位錯核的原子構型發生變化，從而形成所謂的位錯結。加工硬化的常用解釋是，位錯滑移系統上的相互作用阻礙了其運動，使得應力增加，並導致進一步的塑性變形。所有的加工硬化模型本質上都假設位錯之間的相互作用總是通過接點上的斥力或接點處的釘扎來阻礙位錯的運動，從而阻止位錯的釋放和進一步的運動。

在低溫下的bcc金屬中，螺位錯和非螺位錯對施加的應力σapp有完全不同的響應。非螺位錯可以彎曲，其運動完全由滑移面上分解的剪切應力控制，τres=mσapp，m為施密特因子。相反，螺位錯保持直線，應力張量的附加分量影響其滑移行為。螺位錯的複雜核心結構及其對非滑移應力的敏感性是這種所謂的非s施密特行為的根源。這種核心結構被認為是通過螺位錯直線上的扭結對的連續形核和運動使螺位錯滑動，並導致bcc金屬在低溫下的熱激活變形行為。有人用原子模擬和第一原理計算研究了bcc材料螺位錯和扭結對形成的特性。核心結構非簡併緻密。複雜的螺位錯核結構也導致了意外滑移系統的活動。然而，在低溫狀態下，林位錯對加工硬化的作用尚不清楚。

在本文，由於螺位錯決定了低溫下的變形行為，研究者使用離散位錯動力學(DDD)模擬和原位實驗系統地研究了螺位錯在bcc金屬中的相互作用。原位透射電子顯微鏡和離散位錯動力學模擬證實了位錯耦合運動和消失的障礙強度排斥螺位錯，與熱激活(低溫)體系中位錯運動的扭結對機制相符合。研究者在一個改進的晶體塑性框架中實現了這一對塑性應變的額外貢獻，並表明它可以解釋觀察到的[100]取向鎢單晶的擴加工硬化狀態。

圖1 模擬設置和耦合運動。

圖2 排斥相互作用位錯上的應力分布。

圖3 耦合滑移的TEM原位觀察:位錯在不同時間步長的實驗觀察。掃描二維碼，關注【材料科學與工程】視頻號，即可查看位錯視頻。

圖4 鎢單晶在[100]和[111]加載方向的變形行為。

綜上所述，研究者提出了一種基於非共面滑移系相互排斥作用的彎折對體系的加工硬化機理。這種應變軟化效應彌補了其他經典的應變硬化效應，也可以解釋bcc金屬較低的整體應變硬化能力。耦合運動的相關性隨著位錯密度的增加而增加，同時可能成對的密度也增加。

來源：材料科學與工程