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意义重大!首次模拟发现超声速螺位错!

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一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移,原子平面沿着一根轴线盘旋上升,每绕轴线一周,原子面上升一个晶面间距,在中央轴线处即为螺位错。当晶体中存在螺型位错时,原来的一族平行晶面就变成为以位错线为轴的螺型面。如果绕螺型位错环行,就会像走坡度很小无台阶的楼梯一样,从一层晶面走到另一层晶面。螺型位错的名称就是由此而来的。位错是晶体中最为常见的缺陷之一,它对晶体材料的各种性质都有程度不同的影响,很早就被人们关注和研究,有了比较成熟的理论和大量的实验研究成果。

日前,中国科学院力学研究所、上海交通大学和浙江大学的团队在晶体材料中的基本缺陷——螺位错在变形过程中的超声速现象研究方面获得进展。研究发现面心立方晶体材料中的螺位错不仅能超声速,并能稳定地以声速运动。相关结果1月29日发表在PRL上(Physical Review Letters,一区TOP期刊,IF=8.839)。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.045501

金属晶体的强度跟韧性很大程度上取决于位错的运动性质,特别是螺位错在材料的强度和变形能力中扮演重要角色。然而位错的速度极限和确切的速度–应力关系尚不明确。传统理论认为位错超声速运动所需能量具有奇异性,尽管后续的理论和模拟研究都表明位错可以超声速运动,但这些研究集中于刃位错。该团队利用分子尺度计算和理论分析,发现铜晶体中的螺型全位错和螺型孪晶界不全位错都能稳定地以声速滑移,并都能超声速运动超过三个各向异性剪切波速。由于螺位错运动过程存在结构不稳定性,超声速螺位错还是首次被模拟发现。

图:各向异性晶体铜中超声速螺位错所产生的主要剪应力场(左侧)以及其在超声速运动时,突破三个剪切波过程

该研究还表明,位错的运动与传统施密特原理相悖,而是与非施密特应力有关。推翻了传统连续介质力学中对超声速位错的认知,确认了超声速螺位错的存在,为晶体材料的动态力学行为,以及孪晶界面的位错运动提供了更深入的理解。

螺位错在剪切应变下的运动

位错是材料科学中的核心概念之一。早前,中国科学院金属研究所马秀良等人(点此查看)利用高通量脉冲激光沉积技术,通过调控异质界面位错的柏氏矢量,成功构筑出具有巨大线性应变梯度、超低弹性能以及特殊物理特性的功能氧化物纳米结构。改变了人们对功能材料中有关位错作用的传统认识:位错未必是一定导致某些物理特性降低的结构缺陷,而是能被用来有效调控甚至产生优异物理特性的新组元。提供了如何利用位错的特性构筑具有连续带隙变化的梯度功能材料的概念、原理及方法。(来源:材料科学与工程公众号。转载请联系)

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