位錯
關注創(chuàng)建者：crest01 創(chuàng)建時間：2021-02-14
位錯的實例教程
提取位錯
由于派-納力是位錯克服晶體點陣阻力的最小開動力，位錯產(chǎn)生瞬間移動其實是微觀原子發(fā)生了晶體劇烈振動，所以位錯開動的位移距離其實是非常小的，大約在幾個A左右，所以必須要對位錯進行提取，才能準確地定位位錯的位置。
在lammps中位錯線的可視化提取可以觀測位錯的移動情況，但是無法得到文本數(shù)據(jù)，所以需要憑借編程程序進行提取。主要使用的是Julia對文本數(shù)據(jù)進行處理。而提取的主要依據(jù)就是晶格畸變參數(shù)，位錯的位置就是晶體晶格畸變參數(shù)明顯的原子組的定位，在lammps模擬過程中，我們添加了晶格畸變參數(shù)的計算，以便對數(shù)據(jù)文本的處理。提取后的效果是比較明顯的，模型中最后只留下了產(chǎn)生位錯的原子組合。
位錯提取前（左）與提取后（右）
模擬結果
由于合金含量不同，單一位錯開動的是不一樣的。如下圖所示，單一位錯在持續(xù)恒力的條件下，當持續(xù)應力達到一定值時，位錯會發(fā)生一個明顯的運動，此時我們可以判定位錯克服晶格阻力產(chǎn)生了位移突變，即克服能壘進入熱驅動狀態(tài)，而隨著應力的增大，位錯的運動并不能很明顯地產(chǎn)生，這是由于應力增大后位錯開動后所剩的力會導致位錯周圍的原子再次對位錯產(chǎn)生反作用或者釘扎從而使位錯發(fā)生反向運動或者依然保持不動。
刃位錯(左)和螺位錯（右）不同Cr比例下的P-N力
最后，歡迎大家聯(lián)系我們。
展開 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(chǎn)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(xiàn)象的強烈影響，情況變得更加復雜。研究這些現(xiàn)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(shù)量級的實驗研究表明，流變應力在低應變速率下，表現(xiàn)出弱應變速率依賴性響應，在高應變速率下，表現(xiàn)出應變速率硬化響應。研究認為，
與應變速率無關的狀態(tài)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(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)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。
展開 日前，中科院力學所、上海交大和浙江大學的團隊在晶體材料中的基本缺陷 – 螺位錯在變形過程中的超聲速現(xiàn)象研究方面獲得重要進展。他們發(fā)現(xiàn)面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩(wěn)定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"為題發(fā)表在物理評論快報上（Physical Review Letters 122,045501 (2019)）。
金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質，特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度–應力關系尚不明確。傳統(tǒng)理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續(xù)的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動，但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析，發(fā)現(xiàn)銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩(wěn)定地以聲速滑移，并都能超聲速運動(超過三個各向異性剪切波速，如下圖中的三個馬赫錐所示)。由于螺位錯運動過程存在結構不穩(wěn)定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發(fā)現(xiàn)。同時，他們的工作表明，位錯的運動還與非施密特應力(不貢獻分解剪應力RSS)有關，與傳統(tǒng)施密特原理相悖。這項研究推翻了傳統(tǒng)連續(xù)介質力學中對超聲速位錯的認知，確認了超聲速螺位錯的存在。該研究結果為晶體材料的動態(tài)力學行為，以及孿晶界面的位錯運動提供更深入的理解。
各向異性晶體銅中超聲速螺位錯所產(chǎn)生的主要剪應力場（左側）以及其在超聲速運動時，突破三個剪切波過程中產(chǎn)生的馬赫錐
力學所彭神佑博士為論文第一作者，魏宇杰研究員為通訊作者，論文作者還包括上海交大金朝暉教授，浙江大學楊衛(wèi)院士。
展開 圖 9 純粹界面位錯和含Re界面在不同應力狀態(tài)下的比較圖
（a）含和不含Re位錯核心界面的模擬圖；
（b）小框架中應力分量σxx，σyy，σxy和流體靜應力σH圖。
【小結】
本文通過亞埃解析STEM和EDS技術，在單晶高溫合金樣品中定量研究界面位錯網(wǎng)絡處的Re偏析。進行原位TEM和SEM拉伸試驗，揭示Re原子和界面位錯核之間的相互作用對γ相中的位錯移動的影響。采用分子動力學和Monte Carlo方法相結合，探測Re原子對γ/γ'界面性質的影響。
主要結論可概括如下：
（1）在高溫下，Re原子在拉伸區(qū)域的界面位錯核心處發(fā)生偏析。由于擴散效應，Re的擴散系數(shù)顯著增加，有助于Re沿著位錯線偏析。
（2）降低冷卻速度是提高界面位錯核心Re濃度的一種快速有效的方法。在γ/γ'界面遷移過程中，再分離會隨位錯移動。
（3）再分離增強了γ/γ'界面。在位錯網(wǎng)絡上含有更高濃度的Re的界面可，以更有效地阻止位錯的剪切。
（4）添加Re后，位錯能量平均每nm下降152.7 eV。然而，核心的Re偏析對位錯的核心結構沒有顯著影響。Re在相界面力學性能中的主要作用是界面位錯網(wǎng)絡的穩(wěn)定化，這可能是高溫合金中Re效應的起源。
此結果不僅有助于解釋Ni基高溫合金中重要的“Re效應”，而且為改善Ni基高溫合金的蠕變性能提供了新的視角。
文獻鏈接：Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy（Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat. 2018.05.025）。
展開 因此，當層內位錯沿著滑移面向界面運動時，這兩個界面都易于剪切，并通過吸收位錯來弛豫位錯的面內分量。
圖3 （a）具有有序界面（左側）和無序界面（右側）的Cu/Nb多層膜的模擬結構；（b）有序界面和無序界面的界面剪切強度
如圖4所示，通過弓形位錯在限制層內滑移模型來分析位錯和界面的交互作用，當Cu層中柏氏矢量為1/2[0-11]的位錯沿著(-111)滑移面進入有序界面時，此界面發(fā)生剪切變形，之后吸引位錯進入界面并使得位錯的面內部分離散。然而，界面剪切變形僅僅弛豫位錯的面內分量，面外分量的位錯仍然駐留在界面上。隨著位錯連續(xù)不斷地向界面運動，大量面外分量的位錯在界面上累積，這將會在界面上引起應力集中，從而促進界面上位錯的形核和發(fā)射。另外，有序界面上有大量的失配位錯，這些失配位錯也能促進位錯形核。隨著界面上位錯的形核與發(fā)射，位錯成功地滑移穿越有序界面，釋放應力，傳遞應變。但是，當Cu層中柏氏矢量為的位錯沿著滑移面進入無序界面時，無序界面上的自由體積能夠協(xié)助空位的產(chǎn)生和擴散，從而能夠通過促進位錯在界面上的攀移來弛豫位錯的面外分量。另外，由于無序界面也是弱剪切界面，無序界面在位錯的應力場下也能發(fā)生剪切變形，進而弛豫位錯的面內分量。因為位錯的面內分量和面外分量都被無序界面弛豫，所以位錯將很難運動，更難穿過界面。由于無序界面嚴重限制了位錯的運動，從而導致樣品2發(fā)生了界面硬化。
圖4 （a）界面兩側滑移系的圖解；（b）弓形位錯在層內滑移的圖解；（c）位錯和有序界面交互作用的圖解；（d）位錯和無序界面交互作用的圖解
總之，作者以層厚10nm的Cu/Nb多層膜作為模型材料，設計了一種無序界面來提高界面的強（硬）化能力，進而顯著地提高了材料的硬度。進一步的模擬和分析認為這種無序界面能夠弛豫界面位錯的面內分量和面外分量，使得位錯難以運動。
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位錯的最新內容
拉伸變形結束后的累計剪切滑移結果：
拉伸變形結束后的統(tǒng)計儲存位錯密度分布結果：
拉伸變形結束后的幾何必須位錯密度分布結果：
這篇文章的另一個重要部分是位錯重分配。作者把有限元單元中的位錯內容等效成“超位錯”，再根據(jù)塑性滑移活動對可動位錯進行重新分布，并計算由這些位錯分布產(chǎn)生的背應力。這個處理很有啟發(fā)性：它不是直接追蹤每一根真實位錯，那樣計算量太大；但它也不是完全經(jīng)驗化地加一個強化項，而是在連續(xù)體模擬和位錯物理之間做了一個折中。
基于UMAT的蠕變變形仿真17天前
仿真方法
目前對于金屬的力學行為研究，越來越多的學者從微觀尺度入手，像晶體塑性力學等就是典型代表，滑移、位錯等理論也成為研究材料失效或者性能下降的重要工具。
相比于宏觀唯象模型，這類微觀模型當然更具有物理意義，也更先進，能解釋很多現(xiàn)象。但是當下的研究生培養(yǎng)方式，使得很多學生進入一個領域后，過早的集中在某個點的研究，而未形成對該領域有效的、可靠的認知。
3、微量元素的影響機制：
◎ 固溶強化：合金元素溶解在基體中導致晶格畸變，阻礙位錯運動。
◎ 析出強化：熱處理過程中析出細小彌散的強化相。
◎ 晶粒細化：形成化合物彌散質點阻礙晶粒長大。
◎ 第二相形成：既可能有益（強化相）也可能有害（腐蝕源）。
二、主流表面處理工藝
1、陽極氧化。分為硫酸（裝飾性）、鉻酸（高耐蝕）、硬質（耐磨），應用于建筑型材和電子部件。
考慮GND的大變形冷軋模擬4個月前
初始的計算模型如下所示：
軋制模型：
變形量為20%，整體包含500個晶粒，使用10萬C3D8R單元，整體計算時間為：34小時48分
變形后的結果如下圖所示
等效應力分布：
等效塑性應變分布：
幾何必須位錯密度分布：
統(tǒng)計儲存位錯密度分布：
可以看到和作者類似 的模擬趨勢，即GND分布于晶界相關，SSD分布主要是板材邊緣位置，
重劃分 Remeshing + 狀態(tài)變量映射（最通用）
當網(wǎng)格畸變到閾值，換一張“干凈網(wǎng)格”，把舊網(wǎng)格的歷史狀態(tài)（取向、硬化、位錯密度等）映射到新網(wǎng)格繼續(xù)算——這是很多晶體塑性/微觀模擬里最常用的工程化路線。
因此，做這件事的意義并不是證明 Windows 也能跑 DAMASK，而是讓晶體塑性與位錯密度模型在主流工程仿真與實驗數(shù)據(jù)生態(tài)中更容易被調用、被驗證、被迭代，并最終更接近可復現(xiàn)、可交接、可落地的研究與工程實踐。
并不簡單的彈塑性本構子程序6個月前
首先彈塑性這個問題并不簡單，要想解釋清楚它，需要從材料微觀層面，了解晶體位錯等等現(xiàn)象。甚至于到2011年，寫這些問題的綜述還能發(fā)一篇Nature。歸根結底，我們并未完全研究透材料的彈塑性行為，以及相關的強度、韌性問題。
即便就本構層面而言，彈塑性光一個塑性流動方向要想寫出來就不容易，網(wǎng)上能看到一大堆公式，各種導數(shù)偏導數(shù)。
圖6 CuAl合金直接彎曲的位錯形貌
圖7 CuAl合金三點彎曲的位錯形貌
圖6和圖7展示了CuAl合金在直接彎曲和三點彎曲兩種方式下的位錯形貌。直接彎曲時，初始階段（圖6a）位錯較少，隨著彎曲進行（圖6b-d），位錯逐漸產(chǎn)生并增殖，形成較為復雜的位錯網(wǎng)絡，包括多種類型的位錯（如完美位錯、肖克利位錯等），位錯分布在彎曲區(qū)域較為廣泛，呈現(xiàn)出連續(xù)且較為均勻的分布特征。
位錯觀察可用高壓、低分辨電鏡，選用高壓、高分辨為佳。層錯觀察選用高壓、高分辨電鏡。典位錯觀察方法是金相腐蝕法，指通過腐蝕使位錯露頭形成“蝕坑”，使其可見，是間接觀察，效果較差。高壓、低分辨透射電鏡可以直接觀察位錯，效果好。高壓、高分辨透射電鏡可以直接觀察位錯，效果更好。
