《Nature Materials》重大突破:追根溯源!原子角度揭示金属硬化机理

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材料科学与工程    2020-10-15    352

导读:本文发现三阶段硬化不是材料的固有特性,变幻莫测的金属阶段性硬化是一种单轴拉伸下晶体旋转的直接结果。与文献中广泛分歧和矛盾的观点不一致的是,研究者观察到,在金属硬化的所有阶段,位错行为的基本机制是相同的。

几千年来,人类利用金属的自然特性,使其通过形变强化而变得更强更硬。金属硬化机制的根源在于位错的运动,它一直是物理冶金学家一个多世纪以来关注的焦点。近日,来自美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Vasily V. Bulatov等研究者,在超级计算的极限下进行了原子模拟,这些模拟足够强大,足以在统计学上代表宏观晶体塑性,可以从原子运动的微观角度上探究金属硬化的起源。相关论文以题为“Atomistic insights into metal hardening”发表在Nature Materials上。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41563-020-00815-1
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金属硬化的根本原因直到86年前才被发现,当位错-晶格位错所产生的曲线晶体缺陷-被认为是晶体塑性的原因。然而,尽管位错和晶体塑性之间的直接因果关系现在已经牢固地建立起来,却没有定量理论存在来直接从晶格位错的潜在行为来预测金属硬化。这并不是因为缺乏尝试,因为大量的理论和模型涌现,解释金属硬化的位错机制,如果不是相反的观点,往往基于不同角度的。

但正如物理学家艾伦?科特雷尔所认为的,形变硬化可能是古典物理学中最困难的遗留问题(比湍流更糟糕),而且很可能是最后解决的。关于应变硬化机制的争论仍在进行中,解决这一问题的关键困难在于,研究者始终无法观察到在材料块的应变过程中,位错在原位发生了什么。当物理学家努力理解和量化应变硬化时,用于优化金属加工(例如锻造、轧制或挤压)的材料模型仍然是现象学的,并且基于经验观察,很大程度上早于晶体位错的概念。

本文,研究者依靠一台超级计算机来澄清是什么导致了金属硬化?研究者并没有试图从位错行为的潜在机制(数十年来一直是位错理论的诉求)中推导出硬化过程,而是在更基本的层面上进行了超大规模计算机模拟,模拟构成晶体的原子的运动。研究者将这里看作是无偏见的计算实验,在他们的模拟中,通过观察,而不是规定单个原子的运动如何转化为位错的运动,然后合起来产生金属硬化。研究者将他们的注意力放在澄清所谓的三阶段硬化的起源,也许是最争论的方面的金属塑性。

研究者证明了变幻莫测的金属阶段性(变形)硬化是一种单轴拉伸下晶体旋转的直接结果。与文献中广泛分歧和矛盾的观点不一致的是,研究者观察到,在金属硬化的所有阶段,位错行为的基本机制是相同的。
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图1 单个铝晶体沿拉伸轴的七个不同初始方向受拉伸时的应力-应变响应。
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图2 fcc单晶的滑移结晶学。
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图3 铝的12个滑移体系的应力-应变响应、位错密度和施密德因子。

综上所述,研究者模拟表明,三阶段硬化不是材料的固有特性,而是在标准单轴试验中施加在试件上的共轴性约束的运动学结果。该模拟揭示了金属塑性的几个潜在的重要方面,这需要研究者更深入地研究位错运动的细节来解释。这里所提出的模拟,为探索晶体塑性的基本原理提供了手段。(文:水生)

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