Nature&Science：位錯在材料中的這些經典角色，讀后獲益匪淺，豁然一新

1. 位錯概述

位錯在材料科學中是一種重要的線缺陷，在材料不變形，回復和再結晶過程中扮演的重要角色。現在位錯的理論已經相對成熟，并且被實驗所證實。事實上，位錯從提出到建立，歷經了上百年的探索，時至今日，關于位錯運動和材料中扮演的角色，仍有許多問題需要進一步研究。在這里，筆者首先將對位錯進行簡單的介紹。

1）位錯的類型

位錯分為三種，即刃型位錯、螺型位錯以及混合型位錯。其中混合型位錯又可以分解成刃型位錯和螺型位錯。刃型位錯如圖1所示，晶體的一部分相對于另一部分出現一個多余的半原子面。其可以進行滑移和攀移兩種運動。需要注意的是刃型位錯晶體中滑移區與未滑移區的分界線，不一定是直線，也可以是折線或曲線，但他必與滑移方向相垂直，也垂直于位移矢量。晶體材料中的小角晶界很多都是由刃型位錯組成。一個晶體的某一部分相對于其余部分發生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個晶面間距。在中央軸線處即為一螺型位錯。螺型位錯沒有多余半原子面，只產生滑移，不存在攀移。純螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面。但實際上，滑移通常是在那些原子密排面上進行的。其周圍的點陣也發生了彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不會引起體積膨脹和收縮，且在垂直于位錯線的平面投影上，看不到原子的位移和缺陷。

2）位錯在材料科學中扮演角色簡述

到目前為止，絕大部分材料是晶體材料，他們的變形是通過位錯的滑移進行的。在理想的晶體材料中，位錯可以沿著密排面的密排方向暢通無阻的進行滑移運動。但是如果遇到晶界，第二相粒子，相界，層錯，孿晶等缺陷時，位錯的運動受到阻礙，從而堆積在這些缺陷處。位錯的堆積會在這些缺陷處形成一定的能量，這時會出現以下幾種情況：

1）在晶界或相界處形成空穴或者裂紋；

2）通過重新排列形成位錯墻，發展為小角晶界，進一步發展為亞晶或者動態再結晶，同時位錯密度大大降低，當然這需要原子擴散的輔助，主要發生在熱變形情況；這就是典型的回復和再結晶。

3）可能穿過孿晶界或晶界繼續變形；

4）促使材料完成相變；

5）位錯之間相互作用，形成交滑移，正負刃型位錯也有可能相互抵消；

2. 頂刊文章

位錯可以說是材料變形的根本，也對材料相變，回復以及再結晶有重大影響。其在材料科學研究中分量十足，不少文章都位列Nature和Science這樣的國際頂刊。筆者今天就在這里帶領大家領略一下位錯在頂刊的風采，體會并理解這些經典文章會讓你對金屬材料的理解更深刻，也有可能啟發靈感。

1）位錯形核管控納米孿晶材料的軟化和最大強度

在傳統金屬中，位錯-線缺陷的運動導致永久性材料變形，所以金屬強度是由位錯與晶粒晶界和其它障礙物的相互作用控制的。相比之下，對于納米結構材料，位錯的增殖受到納米尺度幾何結構的嚴格限制，因此持續的塑性預期是其他因素控制。納米晶多晶材料具有較高的強度但是脆性很大，這是由于納米晶有效地抑制了位錯形核和位錯運動。本文報道了一種位錯-形核控制機制，該機制存在大量位錯形核位點，位錯運動不受限制。研究表明，位錯形核支配著這類材料的強度，導致它們在臨界孿晶厚度以下軟化。分子動力學模擬和納米孿晶金屬中位錯形核的動力學理論表明，在強度最大的臨界孿晶界間距處存在著變形機制的轉變。在這一臨界值附近，由位錯堆積和切割孿晶面引起的霍爾-佩奇型強化轉變為位錯-形核控制的軟化機制，并由平行于孿晶面的位錯形核和運動引起孿晶界遷移。大多數之前的研究沒有考慮足夠的孿晶層厚度范圍，因此錯過了強度軟化過程。模擬結果表明，納米孿晶態銅軟化開始的臨界孿晶間距和最大強度取決于晶粒尺寸:晶粒尺寸越小，臨界孿晶間距越小，材料的最大強度越高。

圖1 納米雙晶銅在不同晶粒尺寸下的屈服應力隨孿晶界間距的變化^[1]

2）納米孿晶銅中的“項鏈狀”位錯導致疲勞試驗中出現與歷史無關的、穩定的新循環行為

該文所選材料是電沉積的納米孿晶的純銅，通過單軸對稱拉壓循環疲勞試驗,發現了與加載歷史無關的、穩定的、獨一無二的新型循環效應，其循環行為與應變幅度和循環次數無關。通過分子動力學模擬，研究發現：在塑性變形過程中，彼此高度相關的位錯交錯分布在孿晶界之間，形成項鏈狀位錯。這種位錯集體在孿晶界之間往復運動，使得在循環變形過程中相鄰的孿晶界上出現塑性變形又無應力集中。項鏈狀位錯的往復運動又保證了滑移和孿晶界的連貫和穩定性。

圖2 NT-Cu中發現的與歷史無關的循環變形行為^[2]

3）西安交大單智偉等在利用錐面位錯提高鎂的塑性取得重大進展

鎂合金密度小，屬于典型的輕質合金，可以大大減少能源的浪費。但是鎂合金塑性非常低，嚴重限制其大規模工業應用。主要原因是其為密排六方結構材料，其<c+a>位錯難以啟動或者容易變為不可動結構。利用原位透射實驗，發現了<c+a>位錯的形核和滑移。實驗中觀察到的位錯呈半圓環和“Z”字形狀，包含刃型位錯、螺型位錯和混合型位錯。該文研究的亞微米尺寸的鎂單晶比大塊的鎂單晶表現出更高的強度和可塑性，出現了“更小、更強、更有延展性”的現象。作者將其原因歸納為：1）小晶體通常很少有預先存在的位錯，位錯成核需要很大的應力。位錯一旦成核，就很容易在位錯增殖之前逃逸到表面，這就需要增加應力水平來激活其他位錯源來繼續塑性，從而激活大量的<c+a>位錯以適應更大的可塑性；2）單位體積位錯的豐富的表面來源，這是由于較大的表面與體積的比例，這使得大量的位錯可以從晶體表面連續產生。

圖3 透射電鏡原位壓縮試驗表明，位錯滑移是導致鎂單晶柱c軸壓縮塑性變形的主要原因^[3]。

4）D&P鋼中引入大量的可移動位錯，同時提高材料強度和延展性

對D&P鋼進行多道次軋制+回火工藝，這種工藝可以從以下兩個方面在鋼中引入高密度位錯：1）馬氏體相變產生大量的位錯，同時某些針狀體內部還含有孿晶出現；2）多道次的塑性變形，在應力的作用下產生極高的位錯密度，隨后回火處理并不會消除位錯，僅僅使得位錯被固溶元素分成不同的區域。大量的位錯相互作用，形成交滑移以及偶極子，可以提高位錯密度，同時該研究還發現合金的塑性進一步提高，主要原因是；

1）冷軋產生的高密度位錯，重新排列轉變形成了許多個位錯胞，在拉伸時，位錯胞的螺型位錯發生滑動，部分位錯會被釋放，導致晶界解析崩塌，位錯的滑動與釋放是塑性提高的一個重要原因。

2）連續的轉變誘發效應，例如殘余應力在兩種組織之間的相互過渡能夠減小局部應變集中，提供動態應變分區，從而提升了塑性。

3）變形過程中孿晶的出現。

圖4 D&P鋼在拉伸試驗前的顯微組織。A.EBSD顯示合金組織為奧氏體嵌在回火馬氏體基體中的層狀組織，奧氏體面積分數為15%，馬氏體面積分數為85%。RD為軋制方向，ND為法向，TD為橫向方向。B.馬氏體中的位錯結構，右上角為選區電子衍射；C. 典型的透鏡狀馬氏體，分布有孿晶和位錯. D.透射電子顯微鏡(TEM)亮場和暗場圖像觀察到條狀馬氏體和片狀奧氏體。右邊的SADP圖像顯示板層奧氏體與板條馬氏體之間存在kurdjumo - sachs (K-S)關系。E. 亞微米粒狀奧氏體中的位錯；F. TEM亮場和高分辨率圖像捕捉到的大型奧氏體晶粒中的位錯和層錯；G納米碳化釩在回火馬氏體基體中的分布；H. 奧氏體中納米碳化釩的高分辨率TEM圖像^[4]

參考文獻：

[1] Xiaoyan Li, Yujie Wei, Lei Lu, Ke Lu & Huajian Gao. Dislocation Nucleation Governed Softening And Maximum Strength In Nano-Twinned Metals，Nature，2010

[2] Qingsong Pan, Haofei Zhou, Qiuhong Lu, Huajian Gao & Lei Lu. History-independent cyclic response of nanotwinned metals. Doi:10.1038/nature24266

[3] Bo-Yu Liu, Fei Liu, Nan Yang, Xiao-Bo Zhai, Lei Zhang, Yang Yang, Bin Li, Ju Li, Evan Ma, Jian-Feng Nie, Zhi-Wei Shan.Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations. Science ,Doi:10.1126@science.aaw2843

[4] B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K. Wang, H. W. Luo, M. X. Huang. High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan0177

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