導讀：本文證明鎢中螺位錯滑行運動的高活化勢壘導致螺位錯之間的排斥相互作用，并在未預期的施加載荷條件下觸發位錯運動。原位透射電子顯微鏡證實了排斥性耦合運動和排斥力的消失對于排斥性螺旋位錯與熱激活（低溫）狀態下的位錯運動的扭結對機制兼容。本文提出了一種影響扭結對bcc金屬加工硬化的新機制。排斥性導向的螺型位錯在沒有附加施加應力的情況下共同滑動，而不是阻礙移動的螺釘錯位的運動，這可能有助于更好地理解高變形bcc金屬延展性的增加。
金屬材料因其良好的可成型性，強度和韌性而主要用于技術應用中。這種良好的材料性能組合從根本上取決于塑性變形過程中的加工硬化。由于位錯運動，金屬在不可逆的塑性變形下對機械載荷的響應在微觀尺度上發生。位錯一般在密排面上滑移，位錯滑移會導致材料在滑移面上方和下方在伯氏矢量方向上產生相對移動。實際塑性變形是位錯滑移、位錯增殖和湮滅相互作用的結果，在良好的滑移系上，以滑移面和伯氏矢量為特征，位錯在材料受力時共同移動并成倍增加，位錯密度急劇增加，這反過來又被認為導致了加工硬化，其表現為在應變時材料的流動應力的增加。
加工硬化依賴于金屬的晶體結構，例如金屬，像鋁或銅這樣的面心立方（fcc）金屬通常比像鐵或鎢這樣的體心立方（bcc）金屬加工硬化更強。位錯在不同滑動面上的長程相互作用是由位錯引入的彈性畸變引起的。另外，位錯相交處的短程相互作用會導致位錯周圍的原子排列發生變化，并導致形成位錯纏結。將加工硬化稱為林硬化的解釋是基于位錯在傾斜滑移系統上的相互作用阻礙了可移動位錯的運動，從而導致進一步塑性變形的應力增加。
所有的加工硬化模型都在本質上假設位錯之間的相互作用總是通過排斥接近或釘扎連接來阻礙位錯運動，這阻止了位錯的釋放和進一步運動。因此，加工硬化模型都包括對流動應力的貢獻，該貢獻與平均位錯間距L成反比，而平均位錯間距L又與位錯密度有關。盡管這些隱含假設和由此產生的加工硬化模型對于高溫fcc金屬或bcc似乎是合理的，其中位錯滑移僅由滑移面上的切應力控制。
在低溫下的bcc金屬中，螺型和非螺型位錯對外加應力有完全不同的響應。非螺型位錯可以彎曲，其運動完全由滑移面的剪切應力控制，相反，螺型錯位保持筆直，應力張量的其他分量影響其滑動行為。螺型位錯的復雜核心結構及其對非滑動應力的敏感性是這種所謂的非施密特行為的起源。據認為，這種核心結構通過連續的成對運動在原本筆直的螺旋位錯線上使螺位錯滑動，并導致低溫下bcc金屬的熱活化變形行為。但是，人們還不清楚位錯在低溫條件下對硬化工作的作用。
基于此，本文使用離散位錯動力學（DDD）模擬和原位實驗系統地研究了bcc金屬中螺型位錯的相互作用，排斥性導向的螺型位錯在沒有附加施加應力的情況下共同滑動，而不是阻礙移動的螺釘錯位的運動，這可能有助于更好地理解高變形bcc金屬延展性的增加。相關研究結果以題為“Repulsion leads to coupled dislocation motion and extended work hardening in bcc metals”發表在Nature communication上。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18774-1
圖1. 模擬設置和耦合運動
圖2. 排斥相互作用位錯的應力分布
圖3.耦合滑移的原位TEM觀察：不同時間步長的位錯滑移的實驗觀察
圖4.鎢單晶在[100]和[111]加載方向上的變形行為
綜上所述，基于bcc金屬非共面滑移系統之間的排斥相互作用，本文提出了一種影響扭結對bcc金屬加工硬化的新機制。排斥性導向的螺型位錯在沒有附加施加應力的情況下共同滑動，而不是阻礙移動的螺釘錯位的運動。目前的工作表明，相互作用區域僅限于相互作用位錯的很小區域。這些結果深刻地改變了內部應力的概念，至少在bcc金屬或扭結對機制控制位錯運動的材料中。
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