位錯的案例
lammps在金屬位錯動力學上的應用
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，位錯產生瞬間移動其實是微觀原子發生了晶體劇烈振動，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據，所以需要憑借編程程序進行提取。主要使用的是Julia對文本數據進行處理。而提取的主要依據就是晶格畸變參數，位錯的位置就是晶體晶格畸變參數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的計算，以便對數據文本的處理。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，單一位錯在持續恒力的條件下，當持續應力達到一定值時，位錯會發生一個明顯的運動，此時我們可以判定位錯克服晶格阻力產生了位移突變，即克服能壘進入熱驅動狀態，而隨著應力的增大，位錯的運動并不能很明顯地產生，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生反作用或者釘扎從而使位錯發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，歡迎大家聯系我們。
展開 馬普所&川大《Nature Commun》：金屬強度與位錯密度和應變速率的關系
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。
展開 超聲速螺位錯..
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象研究方面獲得重要進展。他們發現面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"為題發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。傳統理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續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，發現銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩定地以聲速滑移，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定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發現。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，與傳統施密特原理相悖。這項研究推翻了傳統連續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，浙江大學楊衛院士。
展開 ：鎳基高溫合金界面位錯網絡的再偏析
圖 9 純粹界面位錯和含Re界面在不同應力狀態下的比較圖
（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原子在拉伸區域的界面位錯核心處發生偏析。由于擴散效應，Re的擴散系數顯著增加，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絡的穩定化，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 
河工大《Scripta Mater》：無序界面阻礙位錯運動，顯著提高材料硬度！
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助空位的產生和擴散，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。
展開 雙晶納米壓痕的多尺度位錯動力學模擬研究
目前實驗手段難以獲取材料在壓痕過程中位錯結構的演化信息，而多尺度位錯動力學模擬可以有效地獲取和分析材料在塑性變形過程中位錯的演化特征，適用于研究納米壓痕這種與位錯等微結構密切相關的力學實驗。目前多尺度位錯動力學壓痕模擬主要集中在二維模型上，三維單晶模型較少，而三維雙晶模型還未見報道。
近日，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國埃爾朗根-紐倫堡大學Michael Zaiser教授（西南交通大學“海外名師項目”專家）合作開展研究，論文第一作者碩士研究生陸宋江通過在三維單晶多尺度框架的基礎上引入可穿透晶界模型開展雙晶納米壓痕模擬，研究位錯與晶界的交互作用機理及晶界對壓痕響應的影響，建立了基于位錯塞積理論的壓痕尺寸依賴性模型，并從位錯結構演化信息分析了相關雙晶壓痕響應的內在機理。相關研究成果已在線發表在材料力學領域頂級期刊《Journal of the Mechanicsand Physics of Solids》（力學小區1區，IF=3.566）。
論文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618308950
傳統離散位錯動力學很難處理壓痕等復雜的邊界條件問題，而通過離散位錯動力學（DDD）與有限元耦合的多尺度方法是解決這一難題的有效途徑。因此，該研究采用多尺度位錯動力學框架來模擬壓痕問題。此外，為了分析壓痕中晶界與位錯的交互作用機理及其對壓痕響應的影響，研究者在多尺度框架中引入可穿透的三維晶界模型，該模型考慮位錯穿透晶界和晶界殘余位錯發射兩種機制，可有效地模擬位錯與晶界的交互作用。
模擬結果再現了雙晶納米壓痕實驗中通常觀察到的載荷-壓深曲線中兩次典型位移突跳現象（pop-in現象）。
展開 亞琛大學、馬普所等《AFM》：平行位錯和柯氏氣團可降低熱電材料熱導率！
發現位錯均勻地存在于整個合金中，它們對κL的還原貢獻最大。特別地，這些位錯形成平行網絡組，每個平行于四個< 111 >方向之一排列。Pb空位和Na摻雜劑在位錯核心周圍分離，形成柯垂爾氣團，為位錯運動提供支撐。根據原位加熱觀察，位錯網絡在加熱、淬火或等溫退火過程中不表現出運動。
基于微結構缺陷的分布、數密度、尺寸和成分的量化，使用卡拉威模型評估它們對聲子散射的貢獻。位錯的平行排列和鈉科特雷爾氣氛增強了它們的應變場的散射強度，并且它們在1×10^10cm-2的中等數密度下解釋了κL的顯著降低。
本文強調不僅要了解缺陷的結構和化學特征，還要了解它們的大規模排列
。所展示的相關顯微術方法連接了多個長度尺度，并且是將復雜的微結構與功能材料的性質相關聯的有力工具。（文：SSC）
圖1|Eu0.03Na0.025Pb0.945Te高光的紋理結構
圖2|Eu0.03Na0.025Pb0.945Te中位錯的相關電子顯微術
圖3|原子探針斷層掃描顯示鈉向位錯核心的分離。
圖4|受位錯影響的熱導率。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
推薦閱讀：
金屬強度與位錯密度和應變速率的關系
實用！
展開 .: 二維平面量子阱超晶格的位錯驅動生長
（C）相應的應變分布，疊加在ADF圖像上，顯示在異質界面處形成周期性位錯陣列。
（D）WSe2 / WS2側向界面的STEM-ADF圖像與WS2量子阱的形成。 WS2量子阱顯示為具有相同寬度的暗條紋。
（E）對應的應變圖，疊加在ADF圖像上，顯示在每個WS2量子阱的頂端存在位錯核。
圖3. WSe2中WS2量子阱的生長機制
（A）由于晶格失配而在WS2/WSe2界面處的5|7位錯的原子模型，
（B）位錯通過插入W原子和S2對發送攀移進入WSe2，
（C）用S取代位于5|7位錯五角形處的Se原子，
（D）隨后在5|7位錯旁以S取代了Se原子，產生了一個四單胞寬度的WS2納米種晶。
（E）不同水平的壓縮應變下SSe取代的能壘。
（F）基于（B）中原子模型的鍵長分析的應變圖。綠色虛線表示WS2/WSe2界面。
（G）結構模型顯示在重復插入-置換過程六次后四個單胞寬和六個單胞長的WS2帶。
圖4. 生長具有原子級銳利側向邊界的二維量子阱超晶格。
（A）用HSE06泛函計算的WSe2 / WS2超晶格的原子結構模型和能帶排列。價帶頂（VBM）和導帶底（CBM）分別用黑線和紅線表示。 黃色為S，紫色為Se;
（B）低倍放大的STEM-ADF圖像，顯示了MoSe2單層中沿量子阱超晶格形成方向的長達幾百納米的平行MoS2量子阱。
【小結】
量子阱陣列在WSe2/WS2和MoSe2/MoS2側向異質結中的成功生長表明，這種位錯驅動的生長機制應該適用于更廣泛的2D單層與晶格失配組合，因為它們的結構具有相似性。因而“該方法很可能被廣泛推廣到其他過渡金屬硫族化合物中，為調控二維平面異質結從而獲取新穎電子和光學特性提供了新的機遇。”
展開 金屬所《JMST》封面：共晶高熵合金K-S界面主導的位錯滑移連續性及其強塑性
在變形的初期，材料中大量存在的界面可以充當位錯異質形核的起源來誘發合金的塑性變形。由于FCC相本征屬性較軟，位錯優先從界面進入到FCC相中激活FCC相的塑性變形。圖7（a）是一張TEM明場像，展示了FCC相中一列位錯被相界面阻礙。而圖7（b）顯示兩相中的滑移跡線在界面兩側一一對應，表明位錯可以滑移穿越界面。圖7（c）一張典型的TEM明場像，展示了FCC相內位錯穿越進入到B2相內。以上結果表明共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中的相界面對材料的部分位錯有強阻礙作用，而對另一部分位錯而言則是易于滑移傳遞的。位錯在界面處滑移傳遞可行性可以通過滑移傳遞幾何因子χ來判定，當χ大于0，位錯可以穿過界面實現滑移傳遞，等于0則位錯將被界面阻礙。界面處的位錯滑移傳遞，有助于合金兩相協同變形，提高合金的拉伸塑性，而界面對位錯的強阻礙作用，則使合金強度提升。
總結與展望
綜上所述，本文精細表征了共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中界面的取向關系及界面結構，深入探索了共晶高熵合金的變形機制及界面效應，建立了原子尺度界面結構與合金強塑性之間的聯系，以期為通過界面調控設計更高強度、更高塑性高熵合金提供指導信息。
本文來自“《JMST》期刊”。
展開 重大《Scripta Materialia》：高熵合金中兩種尚未報道的位錯墻！
它是一個平面位錯陣列，包含一組或多組位錯。了解位錯墻的核心結構對于深入理解變形過程中的微觀結構和性能變化是必不可少的。例如，位錯墻中位錯的排列和Burgers矢量已被用于評估臨界剪切應力，并解釋位錯墻強化或軟化效果。有研究顯示，在高熵合金中位錯墻運動可能促使局部應力釋放或增強應變可淬性，位于界面的位錯墻會影響位錯的滑移，進而影響材料強度和可塑性。雖然位錯墻有多種影響，但是針對高熵合金位錯墻鮮有報道。
重慶大學等單位的研究人員通過研究Fe42Mn38Co10Cr10高熵合金，發現了兩個迄今沒有報道過的位錯墻，分析了位錯墻對應變硬化和塑性的影響。相關論文以題為“Martensitic transformation induced dislocation walls in Fe42Mn38Co10Cr10 high-entropy alloy”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113929
本文使用的Fe42Mn38Co10Cr10高熵合金，經過鑄造、軋制和退火。研究發現退火后的HEA樣品中存在FCC單相，其晶格參數a=3.62 。經過22%室溫壓縮后，XRD結果出現了其他峰，觀察發現是HCP結構且具有不同的堆垛順序，晶格參數a=2.56 ，c=4.17 。經EBSD結果證實冷變形能夠引起的FCC母相向HCP相發生馬氏體相變。
展開 《Nature Commun》：難熔高熵合金的位錯運動及化學短程有序
圖4 擬合螺旋位錯遷移率模型及熱熵對SRO強化效果的影響。
圖5 SRO對邊緣位錯速度的影響。
圖6 SRO引起的沿位錯在導平面附近的層間阻力減小。
圖7 MoNbTaW RHEA與純Mo、Nb的位錯速度比較。
圖8 螺旋位錯和邊緣位錯的臨界摩擦應力與溫度的關系。
綜上所述，研究者建立了雙扭結機制下螺旋位錯移動的唯象模型，揭示了螺旋位錯運動的溫度依賴SRO效應的起源；這一機制源于SRO對扭結對成核的自由能壘的貢獻。隨著溫度的升高，在純bcc金屬和MoNbTaW RHEA中都發現了邊-螺速度比的降低。
這些結果表明，溫度和局部化學有序對RHEAs中邊緣和螺旋位錯運動機制有顯著的影響，這些機制對RHEAs的力學性能有顯著影響。（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
展開 
GaN新技術：單晶生長僅需1小時，位錯低于1%
據介紹，該技術有幾個關鍵好處：
? 解決溶液生長法所存在的“夾雜物”問題，可將GaN晶體位錯缺陷降低至1%以下，從而獲得高質量晶體。
? 加快晶體生長時間，1小時就可以得到高質量的氮化鎵襯底。
? 可用濺射法生產價格低廉、大尺寸GaN晶體。
插播：加入第三代半導體大佬群，請加微信：hangjiashuo666。
傳統生長法：
存在夾雜物、生長速度慢
目前，業界已經開發出一些GaN單晶生長技術，比如氨熱法和Na flux（鈉助溶劑）法，這2種溶液生長法都能夠將位錯密度等缺陷最小化。
以Na flux為例，在LPE生長幾百微米后，籽晶的位錯密度可以從108 cm-2數量級減少到104 cm-2數量級。
不過，溶液生長法也存在2個問題：
一是晶體中會殘留溶液成分，后期會對GaN器件造成損壞。因此，要實現高質量的GaN單晶，不僅要降低位錯缺陷，還必須克服夾雜物的問題。
另一個問題是生長速度慢。研究發現，當氮壓力增加到閾值壓力以上，以提高LPE-GaN的生長速率時，坩堝中籽晶周邊會多晶GaN，多晶生長會把氮消耗掉，從而導致外延層的生長受到抑制，生長速度降低。
而且在傳統的Na flux法中，需要數十個小時才能使 GaN生長的氮濃度達到飽和。
日本新方法：
位錯低至1%，襯底生長僅1小時
為解決上述問題，日本國立材料科學研究所、東京工業大學聯合開發了一項新技術——助溶劑膜涂層液相外延法（FFC-LPE）。
展開 基于位錯密度的晶體塑性umat程序
（原因是位錯密度模型提供了位錯之間更合理的相互作用形式）
作者的研究思路
一，通過實驗獲得兩種取向的單晶在不同應變率下的流動應力，并發現了單晶變形的流動應力與應變率和取向是強相互影響的
二，為了捕捉這種應變率響應，作者在huang經典程序的技術上進行了修改，提出了兩類新的流動和硬化的晶體塑性模型，三類模型分別如下：
類型一：經典單晶唯象本構方程
類型二：應變率修正的單晶唯象本構方程（類似于JC的修改形式，考慮溫度和應變率）
類型三：考慮熱激活和位錯密度的物理本構模型
作者詳細探討了三種模型的差異性和預測能力，并對物理模型的參數給出了大概的區間以及參數的影響，對于使用位錯密度模型提供了很好的范例
三類模型的預測結果如下所示：
模型一的預測結果
模型二的預測結果
模型三的預測結果
作者認為模型三對單晶變形的預測能力最好，因為其捕捉了更多的物理特征。
作者的模型基于huang程序修改。對位錯密度模型感興趣的需要獲取程序的可以私聊我！！！
展開 哈工程Scripta、MSEA：基于晶界偏聚和位錯調控開發低合金高強塑鎂合金！
基于以上晶界偏聚研究，研究者通過合金化設計結合低溫低速擠壓+退火工藝，綜合利用晶界偏聚和位錯調控，提出一種開發低合金化高強塑性鎂合金的新方法。首先,采用低溫低速擠壓工藝制備出超高強度低合金化Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn（wt%）合金，該擠壓合金屈服強度達到453MPa，但塑性較差（延伸率僅3.2%）（圖2），超高的強度主要源于擠壓過程中形成的含有高密度殘余位錯和納米錳沉淀的細晶結構。然后，協同考慮位錯回復、靜態再結晶和晶粒生長等因素，采用350°C作為退火溫度，退火15分鐘后的合金（HT15合金）表現出高強度和高塑性的優異組合，其中，屈服強度為403MPa，伸長率為15.5%（圖2）。退火合金仍然能保持相當高強度的關鍵在于Sm/Zn/Ca元素的晶界共偏聚有效抑制退火過程中的晶粒生長（圖3）；另一方面，退火過程適當降低了位錯密度，特別是不可動S-<c+a>位錯向晶界的演化，是退火合金塑性顯著提高的重要原因（圖2）。（Scripta Mater. 209 (2022) 114414）
圖2 擠壓態合金和退火15min合金（HT15合金）的微觀組織和力學性能。
展開 耦合溫度損傷位錯密度的顯式晶體塑性模型
溫度場通過初始溫度以及塑性產熱計算，同時忽視局部的熱傳導，準靜態加載速率下的泰勒-昆尼系數η為0.0，1000 s加載速率下為0.95?1及以上(塑性功轉化為熱的比例)
通過經典的熱激活模型，將溫度效應引入流動方程，并考慮溫度對剛度的退化
位錯密度模型演化遵循經典的KM模型，同時考慮位錯之間的相互作用，即考慮了位錯的產生和湮滅，以及湮滅半徑與溫度的關系。因此有利于由實驗進行對照分析。
損傷基于經典的JC損傷，并等效的對應力進行退化
拉伸模型
網格劃分（每個單元表示一個單獨取向的晶粒，即初始的取向不同）
局部斷裂時溫度場分布（初始293K，假設taylor-Q系數為0.95）
局部斷裂時局部位錯密度分布（僅考慮統計儲存位錯密度）
局部斷裂時損傷分布
局部斷裂時等效塑性應變分布
局部斷裂時mises等效應力分布
展開 