位錯滑移是一種普遍的變形機制，其控制著金屬的強度。 來自德國馬普研究所和四川大學的范海東&四川大學的王清遠等研究者，通過離散位錯動力學和分子動力學模擬，研究了銅鋁單晶強度的應變速率和位錯密度的依賴性。相關論文以題為“Strain rate dependency of dislocation plasticity”發表在Nature Communications上。更多精彩專業視頻抖音搜索：材料科學網。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21939-1

金屬因其優異的承載能力而被廣泛使用，這得益于其機械強度和損傷容忍度。應變速率硬化效應是位錯滑移變形的金屬材料中普遍存在的現象，但在固溶硬化合金中，位錯-溶質相互作用可能導致應變速率軟化的有限變形條件除外。然而，應變速率和微尺度變形機制之間的關系仍然缺乏了解，而大多數動態本構模型(如Johnson-Cook、Zerillii-Armstrong)都是用現象學或半現象學的方式表述的，其幾個經驗參數不能反映微尺度變形機制——需要符合特定的實驗，而失去了一般性。因此，對控制應變率效應的微觀機制的全面理解是至關重要的，以便開發基于物理機理的模型，能夠反映和預測金屬力學性能的應變率依賴性。

在BCC(體心立方)金屬中，如許多鋼，應變率效應通常與位錯特性有關，其控制了螺位錯運動。由此產生的螺位錯的溫度和應力依賴性遷移率已被納入許多基于物理的塑性模型。而在面心立方(FCC)金屬中，如Al和Cu，位錯運動受聲子阻力控制，由于位錯運動受到與位錯之間相互彈性作用相關的各種集體現象的強烈影響，情況變得更加復雜。研究這些現象并確定它們與應變率的相關性是本研究的目的。

對單晶Cu、Al、LiF和多晶Cu、Al應變速率跨越多個數量級的實驗研究表明，流變應力在低應變速率下，表現出弱應變速率依賴性響應，在高應變速率下，表現出應變速率硬化響應。研究認為， 與應變速率無關的狀態主要是林位錯相互作用和/或位錯與晶界或析出相的相互作用。

另一方面，應變速率硬化是由于粘滯阻力作用于位錯造成的。在這種情況下，作用在位錯上的應力通過位錯阻力系數與位錯速度相關，位錯速度通過Orowan關系與應變速率相關。因此，應力和應變率之間的直接關系取決于阻力系數和可移動位錯密度的比值。

離散位錯動力學(DDD)模擬允許對塑性流動過程中的集體位錯行為進行原位觀察，因此，可以為控制位錯介導的塑性應變率效應的機制提供基本見解，而不需要依賴特定的假設。在DDD模擬中，位錯是粗粒度的離散彈性線，大多數相關的位錯機制是基于物理的方式。在過去的20年里，DDD被廣泛地用于研究位錯介導塑性的各個方面。雖然DDD模擬已廣泛應用于位錯塑性中的問題，但上述與應變率相關性有關的基本問題尚未得到系統的研究。特別是，位錯平均速度和位錯速度分布等基本量，雖然可以通過3D-DDD模擬自然獲得，但由于實驗難以確定很少有研究。

此文研究者采用3D-DDD和MD(分子動力學)方法，共進行了194次模擬，分析了集體位錯塑性的應變速率依賴性。在模擬中，研究了位錯密度(9個數量級以上)和應變速率(10個數量級以上)，對銅鋁單晶塑性變形行為的影響。因此，研究者提出了材料強度、位錯密度、應變率和位錯遷移率之間的解析關系，該關系與目前的模擬和已發表的實驗結果一致。結果表明：隨著位錯密度的增大，材料強度呈現先減小后增大的趨勢。因此，隨著應變速率的增加，強度呈現出一種應變速率無關的狀態，隨后是應變速率硬化狀態。所有的結果都可以用一個單一的尺度函數表示，該函數將尺度強度與位錯密度和應變率之間的耦合參數聯系了起來。這種耦合參數也控制了塑性的局部化、位錯流的波動和位錯速度的分布。

圖1 根據當前DDD/MD模擬預測的屈服應力。

圖2 當前DDD模擬預測的應力-應變曲線和平均位錯速度。

圖3 研究者模型，模擬數據和公布的實驗比較。

圖4 不同初始位錯密度和應變率下的塑性應變輪廓 。更多精彩專業視頻抖音搜索：材料科學網。

圖5 相同初始位錯密度但不同應變率下的位錯構型。更多精彩專業視頻抖音搜索：材料科學網。

圖6 DDD模擬中位錯速度分布的平方變異系數。

圖7 DDD模擬中位錯速度的概率分布。

綜上所述，研究者提供了一個在迄今為止前所未有的尺度范圍內，應變率和位錯密度依賴的集體位錯動力學的統一圖像。在相對低應變率或高位錯密度的情況下，大多數實驗室實驗都是這樣進行的，位錯的集體動力學表現為高度湍流流動過程。一旦足夠高的外加應力使位錯排列失去亞穩性，復雜的弛緩過程會導致具有尺度自由位錯速度譜的高度不規則動力學，并強烈傾向于形成非均勻應變和位錯模式。（文：水生）

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