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一种新的加工硬化机理!直接看到了螺位错相互作用

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编辑推荐:低温下bcc金属的加工硬化机制尚无法用经典位错密度理论很好地解释。螺位错决定了低温下的变形行为,本文使用模拟和原位实验系统地研究了螺位错在bcc金属中的相互作用,提出了一种基于非共面滑移系相互排斥作用的加工硬化机理,弥补了经典的应变硬化理论。

低温下bcc单晶的加工硬化在高对称加载下表现出较强的取向硬化,这是经典位错密度理论所不能解释的。近日,来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的D. Weygand等研究者发现,BCC金属钨中位错滑移的高激活势垒导致了螺旋位错之间的互斥作用,并且意外地发现这触发了位错运动。相关论文以题为“Repulsion leads to coupled dislocation motion and extended work hardening in bcc metals”发表在Nature Communications上。

论文链接:

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

一种新的加工硬化机理!直接看到了螺位错相互作用

金属材料因其良好的成形性、强度和韧性而得到了广泛应用。通常,金属优异的性能组合依赖于塑性变形过程中的加工硬化。金属对塑性变形的响应在微观尺度上是由位错运动、晶体结构的线缺陷引起的。位错一般在密排晶面上滑动,并产生一个沿伯格斯矢量方向的相对位移。实际上塑性变形是位错滑移、位错交互和位错湮灭在以滑移平面和伯格斯矢量为特征的特定滑移系统上相互作用的结果。位错集体移动并繁殖,导致位错密度的增加。这反过来被认为会导致加工硬化,表现为材料在拉伸时流动应力的增加,但也阻止进一步变形。适当的热处理则往往可以恢复其成形性。

加工硬化取决于金属的晶体结构,例如,面心立方(fcc)金属,如铝或铜,通常比体心立方(bcc)金属,如铁或钨,表现出更强的硬化性。位错在不同滑移面上不同性质的长程相互作用是由位错引入晶格的弹性变形引起的。此外,位错交点处的短程相互作用会导致位错核的原子构型发生变化,从而形成所谓的位错结。加工硬化的常用解释是,位错滑移系统上的相互作用阻碍了其运动,使得应力增加,并导致进一步的塑性变形。所有的加工硬化模型本质上都假设位错之间的相互作用总是通过接点上的斥力或接点处的钉扎来阻碍位错的运动,从而阻止位错的释放和进一步的运动。

在低温下的bcc金属中,螺位错和非螺位错对施加的应力σapp有完全不同的响应。非螺位错可以弯曲,其运动完全由滑移面上分解的剪切应力控制,τres=mσapp,m为施密特因子。相反,螺位错保持直线,应力张量的附加分量影响其滑移行为。螺位错的复杂核心结构及其对非滑移应力的敏感性是这种所谓的非s施密特行为的根源。这种核心结构被认为是通过螺位错直线上的扭结对的连续形核和运动使螺位错滑动,并导致bcc金属在低温下的热激活变形行为。有人用原子模拟和第一原理计算研究了bcc材料螺位错和扭结对形成的特性。核心结构非简并致密。复杂的螺位错核结构也导致了意外滑移系统的活动。然而,在低温状态下,林位错对加工硬化的作用尚不清楚。

在本文,由于螺位错决定了低温下的变形行为,研究者使用离散位错动力学(DDD)模拟和原位实验系统地研究了螺位错在bcc金属中的相互作用。原位透射电子显微镜和离散位错动力学模拟证实了位错耦合运动和消失的障碍强度排斥螺位错,与热激活(低温)体系中位错运动的扭结对机制相符合。研究者在一个改进的晶体塑性框架中实现了这一对塑性应变的额外贡献,并表明它可以解释观察到的[100]取向钨单晶的扩加工硬化状态。

一种新的加工硬化机理!直接看到了螺位错相互作用

图1 模拟设置和耦合运动。

一种新的加工硬化机理!直接看到了螺位错相互作用

图2 排斥相互作用位错上的应力分布。

一种新的加工硬化机理!直接看到了螺位错相互作用

图3 耦合滑移的TEM原位观察:位错在不同时间步长的实验观察。关注【材料科学与工程】视频号,即可查看位错视频

一种新的加工硬化机理!直接看到了螺位错相互作用

图4 钨单晶在[100]和[111]加载方向的变形行为。

综上所述,研究者提出了一种基于非共面滑移系相互排斥作用的弯折对体系的加工硬化机理。这种应变软化效应弥补了其他经典的应变硬化效应,也可以解释bcc金属较低的整体应变硬化能力。耦合运动的相关性随着位错密度的增加而增加,同时可能成对的密度也增加。(文:水生)

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