2018年6月杂志俱乐部:使用中尺度离散位错动力学建模位错介导的塑性

生病Ryu

机械工程系

艾瑞克·琼森工程与计算机科学学院

德克萨斯大学达拉斯

1.简介

未来技术发展的紧迫挑战和机遇正在显著加速材料研究的进展。在这些努力中，纳米结构材料越来越受到关注，这不仅是因为它们在强度、韧性和热稳定性方面的改进，而且是因为它们通过减轻结构系统的重量来节省能源的潜力。

十多年来，通过在各种时间和空间尺度上对材料进行强大的模拟和建模，已经取得了显著的科学进展。利用这一关键机会需要在中尺度上支撑物质行为。材料的性质和化学反应就是在这个尺度上决定的。基于最近在基本原子长度尺度上开发和仍在研究的知识，中尺度研究将提供预测建模和仿真方面的新兴能力，有可能彻底改变新材料的发展[1,2]。

在这个杂志俱乐部，我们想讨论最近的理解和最新的建模工作，特别是使用离散位错动力学(DDD)建模。我们将跳过DDD的基本概念，DDD可以在一些书籍[3-6]和期刊上发表的优秀综述论文[7-9]中找到。然后，我想提出一些在这个领域的挑战。

2.目前对位错介导塑性的认识

塑性变形的基本机制是位错运动的剪切过程，如图1所示。通过探索位错的详细动态运动，我们可以直接从微观尺度上预测位错集体行为所产生的力学行为。以下是近年来关于位错介导的中尺度可塑性的一些研究结果。

图1。塑性变形为滑移过程[10]

2 - 1。从位错源了解变形机制

从最近的许多微观力学实验来看，“越小越强”现象在小结构中得到了充分的证明[11-13]。在已有的FCC金属尺寸依赖塑性模型中，普遍接受的解释是位错饥饿(DS)模型[14,15]和单臂源(SAS)模型[16-21]。根据DS模型，较小的样品包含较少的位错源，使得位错更容易逸出，并且需要更高的应力来产生新的位错以实现持续的塑性变形。在SAS模型中，截断源的长度在较小的样本中较短，因此需要更高的应力来操作它们。采用表面成核方案的DDD模型可以捕捉FCC微柱中震源驱动的塑性机制，如图2所示。

图2。(a) FCC微柱中直径分别为150 nm(左)和1000 nm(右)的位错微观结构。可以看出，在150nm样品中存在表面成核，在1000nm样品中存在单臂操作。(b) DD结果与SAS和SN理论模型的比较机理[16,22,23]。

在BCC金属中，位错塑性被认为主要由螺旋位错的运动控制，其迁移率低，这归因于非平面的核心结构和高的Peierls势垒[24,25]。此外，从分子动力学(MD)模拟来看，位错增殖是通过表面诱导的交叉滑移过程发生的，而孤立的螺钉位错在图像应力的辅助下可以自我增殖并产生位错源[26]。采用修正的位错迁移率，DDD模型也可以解释尺寸依赖塑性，如图3所示。

图3。直径分别为150 nm(左)和1000 nm(右)的BCC微柱中的位错微观结构。

2 - 2。加载机制取决于位错的微观结构和相应的力学行为

与体积样品相比，微米和亚微米尺度金属样品在各种加载条件下表现出较高的流动应力，包括微柱压缩/拉伸[14,15,27 -34]、金属丝扭转[35-38]、箔弯曲[39-41]以及微和纳米压痕[42-44]。由于传统的连续介质理论无法捕捉观察到的尺寸效应，因此研究不同加载条件下的位错微观结构及其相应的力学响应非常重要。如下图4所示，不同的加载条件在小尺度上产生的微观组织差异较大。基于这一观察结果，它可以限制连续介质方法，其中力学行为主要由简单的张力实验表征。

图4。FCC微柱中的位错微观结构及DDD模型[45]和MD模型[46]中的扭转。

3.挑战与展望

3 - 1。空位/杂质的影响及其与位错的相互作用

基于从间接实验和原子模型中收集的详细知识，中尺度位错动力学(DD)模型可以为研究晶体线缺陷的力学性能如何变化提供独特的机会。然而，目前尚不清楚位错是否与空位/杂质相互作用，遵循一般规则。这项研究有助于在各种类型缺陷的情况下力学性能的基本知识。

3 - 2。晶界内位错相互作用。

人们对纳米晶金属的力学性能的兴趣集中在晶粒和孪晶界在变形机制中的作用。一般来说，GBs可以阻碍位错的运动并导致硬化[47]，或者当塑性为位错源限制[48]时，它们可以作为位错的现成来源。虽然已经有人尝试研究不可穿透gb在晶体材料力学行为中的作用[49-52]，但仍缺乏遵循一般规律的模型[53-55]，具体说明了位错与内部边界之间的各种相互作用模式，如穿透、吸收、解吸[56]，如图5所示。

图5。跨孪晶边界界面介导滑移转移反应的原子模型。(a)吸收，(b)解吸，(c)直接透射[56]的原子构型。

3 - 3。位错运动离散描述的统一多尺度模型。

为了研究这些尺度下的塑性行为[57-59]，一些研究小组开发了直接耦合离散位错动力学和连续介质有限元法的统一计算模型。这些模型可以同时利用DDD和FE模型;DDD框架考虑位错的动态运动，采用有限元法处理复杂边界和加载条件，并有效地考虑了位错的长程相互作用，如图6所示。

图6。DD与FE[57]的耦合原理图。

在未来的研究中，有必要建立一个通用的模型来描述位错与各种类型的缺陷(如杂质、晶粒和孪晶界以及裂纹)的相互作用，这将提高我们预测多晶固体力学性能的能力。

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