马普所&川大《Nature Commun》：金属强度与位错密度和应变速率的关系

位错滑移是一种普遍的变形机制，其控制着金属的强度。 来自德国马普研究所和四川大学的范海东&四川大学的王清远等研究者，通过离散位错动力学和分子动力学模拟，研究了铜铝单晶强度的应变速率和位错密度的依赖性。相关论文以题为“Strain rate dependency of dislocation plasticity”发表在Nature Communications上。更多精彩专业视频抖音搜索：材料科学网。

论文链接：

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

金属因其优异的承载能力而被广泛使用，这得益于其机械强度和损伤容忍度。应变速率硬化效应是位错滑移变形的金属材料中普遍存在的现象，但在固溶硬化合金中，位错-溶质相互作用可能导致应变速率软化的有限变形条件除外。然而，应变速率和微尺度变形机制之间的关系仍然缺乏了解，而大多数动态本构模型(如Johnson-Cook、Zerillii-Armstrong)都是用现象学或半现象学的方式表述的，其几个经验参数不能反映微尺度变形机制——需要符合特定的实验，而失去了一般性。因此，对控制应变率效应的微观机制的全面理解是至关重要的，以便开发基于物理机理的模型，能够反映和预测金属力学性能的应变率依赖性。

在BCC(体心立方)金属中，如许多钢，应变率效应通常与位错特性有关，其控制了螺位错运动。由此产生的螺位错的温度和应力依赖性迁移率已被纳入许多基于物理的塑性模型。而在面心立方(FCC)金属中，如Al和Cu，位错运动受声子阻力控制，由于位错运动受到与位错之间相互弹性作用相关的各种集体现象的强烈影响，情况变得更加复杂。研究这些现象并确定它们与应变率的相关性是本研究的目的。

对单晶Cu、Al、LiF和多晶Cu、Al应变速率跨越多个数量级的实验研究表明，流变应力在低应变速率下，表现出弱应变速率依赖性响应，在高应变速率下，表现出应变速率硬化响应。研究认为， 与应变速率无关的状态主要是林位错相互作用和/或位错与晶界或析出相的相互作用。

另一方面，应变速率硬化是由于粘滞阻力作用于位错造成的。在这种情况下，作用在位错上的应力通过位错阻力系数与位错速度相关，位错速度通过Orowan关系与应变速率相关。因此，应力和应变率之间的直接关系取决于阻力系数和可移动位错密度的比值。

离散位错动力学(DDD)模拟允许对塑性流动过程中的集体位错行为进行原位观察，因此，可以为控制位错介导的塑性应变率效应的机制提供基本见解，而不需要依赖特定的假设。在DDD模拟中，位错是粗粒度的离散弹性线，大多数相关的位错机制是基于物理的方式。在过去的20年里，DDD被广泛地用于研究位错介导塑性的各个方面。虽然DDD模拟已广泛应用于位错塑性中的问题，但上述与应变率相关性有关的基本问题尚未得到系统的研究。特别是，位错平均速度和位错速度分布等基本量，虽然可以通过3D-DDD模拟自然获得，但由于实验难以确定很少有研究。

此文研究者采用3D-DDD和MD(分子动力学)方法，共进行了194次模拟，分析了集体位错塑性的应变速率依赖性。在模拟中，研究了位错密度(9个数量级以上)和应变速率(10个数量级以上)，对铜铝单晶塑性变形行为的影响。因此，研究者提出了材料强度、位错密度、应变率和位错迁移率之间的解析关系，该关系与目前的模拟和已发表的实验结果一致。结果表明：随着位错密度的增大，材料强度呈现先减小后增大的趋势。因此，随着应变速率的增加，强度呈现出一种应变速率无关的状态，随后是应变速率硬化状态。所有的结果都可以用一个单一的尺度函数表示，该函数将尺度强度与位错密度和应变率之间的耦合参数联系了起来。这种耦合参数也控制了塑性的局部化、位错流的波动和位错速度的分布。

图1 根据当前DDD/MD模拟预测的屈服应力。

图2 当前DDD模拟预测的应力-应变曲线和平均位错速度。

图3 研究者模型，模拟数据和公布的实验比较。

图4 不同初始位错密度和应变率下的塑性应变轮廓 。更多精彩专业视频抖音搜索：材料科学网。

图5 相同初始位错密度但不同应变率下的位错构型。更多精彩专业视频抖音搜索：材料科学网。

图6 DDD模拟中位错速度分布的平方变异系数。

图7 DDD模拟中位错速度的概率分布。

综上所述，研究者提供了一个在迄今为止前所未有的尺度范围内，应变率和位错密度依赖的集体位错动力学的统一图像。在相对低应变率或高位错密度的情况下，大多数实验室实验都是这样进行的，位错的集体动力学表现为高度湍流流动过程。一旦足够高的外加应力使位错排列失去亚稳性，复杂的弛缓过程会导致具有尺度自由位错速度谱的高度不规则动力学，并强烈倾向于形成非均匀应变和位错模式。（文：水生）

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