合金材料的拉伸試驗(yàn)中，將會(huì)出現(xiàn)伴隨應(yīng)力鋸齒形跌落的雪崩式剪切變形帶。這種現(xiàn)象叫做波特文-勒夏特利埃效應(yīng)。英文為Portevin-Le Chatelier，簡稱PLC效應(yīng)，這屬于一種群集性現(xiàn)象，其本質(zhì)源于材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，即可動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)、溶質(zhì)原子之間動(dòng)態(tài)的交互作用。在PLC效應(yīng)中，金屬合金的塑性變形分布在不同類型的帶中，包括傳播帶或“A”型帶，通常以它們的寬度和典型的傳播速度為特征。這種塑性不穩(wěn)定性是由位錯(cuò)與可移動(dòng)溶質(zhì)原子相互作用的集體動(dòng)力學(xué)引起的，但是對應(yīng)變率的敏感性缺乏基本的理解。
近日，來自芬蘭埃斯波阿爾托大學(xué)的Tero M?kinen等研究者證明了，在鋁合金的拉伸變形實(shí)驗(yàn)中通過使用高分辨率成像，帶速度顯示較大波動(dòng)。相關(guān)論文以題為“Propagating bands of plastic deformation in a metal alloy as critical avalanches”發(fā)表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc7350
材料變形的復(fù)雜性是工程中的重要問題，涉及到基本的非平衡物理。當(dāng)試樣受到超過線性、彈性響應(yīng)的載荷時(shí)，就會(huì)遇到這種現(xiàn)象。然后，金屬的屈服和破壞前的塑性變形在不同的時(shí)間和空間尺度上表現(xiàn)出非常復(fù)雜的性質(zhì)。這帶來的挑戰(zhàn)從塑性變形雪崩到有限樣本屈服應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)到變形定位。
局部化的一個(gè)典型表現(xiàn)是剪切帶的出現(xiàn)，本文研究者分析了PLC效應(yīng)。當(dāng)載荷超過屈服點(diǎn)時(shí)，PLC效應(yīng)意味著試樣中會(huì)產(chǎn)生變形帶(圖1)：這些變形帶會(huì)成核，可能會(huì)傳播，也可能不會(huì)傳播，這取決于存在的PLC不穩(wěn)定性的等級（在常用分類中，類型A表示傳播波段，類型B和C表示非傳播波段）。變形帶伴有材料的不穩(wěn)定性：拉伸試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力下降，形成鋸齒狀的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1B)。這種應(yīng)變率敏感性是以應(yīng)變率相關(guān)的現(xiàn)象出現(xiàn)的；此外，它的性質(zhì)和存在取決于溫度。PLC效應(yīng)是由動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(DSA)引起的，其關(guān)鍵物理是作為塑性變形基本載體的位錯(cuò)與合金中溶質(zhì)原子的相互作用。在介觀層面上，已經(jīng)提出了增加復(fù)雜性的理論，以解釋必要的位錯(cuò)物理:基本的不動(dòng)和“老化”的位錯(cuò)，溶質(zhì)束縛位錯(cuò)，以及產(chǎn)生塑性變形的動(dòng)位錯(cuò)。這樣的模型和大量的實(shí)驗(yàn)最近被引入來探索PLC效應(yīng)的物理:在帶形成核中的相位和動(dòng)力學(xué)，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線的鋸齒，從效應(yīng)的聲發(fā)射，等等。
圖1 散斑圖像變形帶的特征。
研究者采用了一種完全不同的粗粒化方法，即把條帶簡化為零維的“粒子”。通過使用高分辨率對鋁合金的拉伸變形實(shí)驗(yàn)成像，顯示帶速度顯示較大波動(dòng)。每個(gè)帶產(chǎn)生一個(gè)速度信號，使人聯(lián)想到在許多驅(qū)動(dòng)雪崩系統(tǒng)中觀察到的裂紋噪聲爆發(fā)，從斷裂中的裂紋傳播到鐵磁中的巴克豪森效應(yīng)。這些速度爆發(fā)的統(tǒng)計(jì)特征包括它們的平均形狀和大小分布服從一個(gè)簡單的臨界雪崩動(dòng)力學(xué)平均場模型的預(yù)測。因此，該結(jié)果揭示了一個(gè)先前未知范式的臨界性局部變形。
圖2 平均速度。
圖3 固定持續(xù)時(shí)間的平均帶速度剖面。
圖4 雪崩大小的統(tǒng)計(jì)。
圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)置。
綜上所述，研究者結(jié)果表明，相互作用，移動(dòng)的位錯(cuò)造成了金屬合金的變形雪崩。這里，必要的條件是特定窗口內(nèi)的溫度和應(yīng)變率值，這樣就可以觀察到傳播或A型PLC帶。鑒于此，雪崩遵循平均場類似ABBM模型的模式。
（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學(xué)與工程”。
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