杂志俱乐部2018年6月: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

埃里克·琼森工程与计算机科学学院

德克萨斯大学达拉斯

1.介绍

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步。在这些努力中，纳米结构材料越来越引起人们的关注，不仅因为它们在强度、韧性和热稳定性方面的改进，而且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，取得了显著的科学进步。利用这一关键机会需要在中尺度上支持材料的行为。正是在这个尺度上，材料的性质和化学反应被决定了。基于最近在基本原子长度尺度上发展和仍在研究的知识，中尺度研究将为预测建模和模拟提供新兴能力，这有可能彻底改变新材料的发展[1,2]。

在这个期刊俱乐部中，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，这些概念可以在几本书[3-6]和期刊上发表的优秀综述论文[7-9]中找到。接下来，我想提出这个领域的一些挑战。

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引起的剪切过程，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。以下是最近在中尺度上关于位错介导的可塑性的一些发现。

图1所示。塑性变形作为滑移过程[10]

2 - 1。从位错源认识变形机制

从许多最近的微观力学实验来看，“越小越强”的现象现在在小结构中得到了充分的证明[11-13]。在FCC金属尺寸相关塑性的模型中，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，这使得位错更容易逃逸，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，截短的源的长度在较小的样本中较短，因此需要较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微柱的源驱动塑性机制，如图2所示。

图2。(a)直径为150 nm(左)和1000 nm(右)的FCC微柱的位错微观结构。可以看出，150nm样品中存在表面成核，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，位错的可塑性被认为主要由螺位错的运动决定，螺位错的迁移率低，归因于非平面核结构和高佩尔势垒[24,25]。此外，从分子动力学(MD)模拟中，位错倍增预计会通过表面诱导的交叉滑移过程发生，而孤立的螺旋位错在图像应力的帮助下可以自我倍增并产生位错源[26]。修正位错迁移率后，DDD模型也可以解释尺寸依赖塑性，如图3所示。

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

2 - 2。加载机制相关的位错组织及其力学行为

与大块金属样品相比，微米和亚微米尺度的金属样品在各种加载条件下表现出更高的流动应力，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到观察到的尺寸效应，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是很重要的。如下图4所示，在小尺度上，不同的加载条件会导致不同的微观结构。基于这一观察结果，它可以限制连续介质方法，其中力学行为主要以简单的张力实验为特征。

图4。FCC微柱中的位错微观结构和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

基于间接实验和原子模型收集的详细知识，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变化提供独特的机会。然而，仍然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的缺陷的背景下的机械性能的基本知识。

3 - 2。位错与内部晶界的相互作用。

对纳米晶金属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，当塑性是位错源受限的[48]时，GBs可以阻碍位错的运动并导致硬化[47]，也可以作为位错的易得源。虽然有人尝试研究不可穿透的gb在晶体材料力学行为中的作用[49-52]，但仍然缺乏遵循一般规律的模型[53-55]，无法明确位错与内部边界之间的各种相互作用模式，如渗透、吸收、解吸[56]，如图5所示。

图5。跨双边界界面介导的滑移转移反应的原子模拟。(a)吸收，(b)解吸，(c)直接透射[56]的原子构型。

3 - 3。离散描述位错运动的统一多尺度模型。

一些研究小组已经建立了统一的计算模型，将离散位错动力学和连续有限元方法直接耦合在一起，以研究这些尺度下的塑性行为[57-59]。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，而FEM用于处理复杂的边界和加载条件，也用于有效地解释远程位错相互作用，如图6所示。

图6。DD与FE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。

4.参考文献

[10]从量子到连续体:中尺度科学的机遇，《中尺度科学报告》(2012)。

[10]郭广武，郭立强，中尺度科学的机遇，大气科学通报，37(11)(2012):1079-1088。

[10] V.V. Bulatov，蔡伟，位错的计算机模拟，牛津大学出版社，2013。

[10]库彬，位错，中尺度模拟与塑性流动。http://public.eblib.com/choice/publicfullrecord.aspx?p=3055181, 2013)。

[1]张振明，离散位错动力学概论，见:孙绍文主编，广义连续统与位错理论，中国机械工程学报，2012。

[10]张建军，张建军，张建军，位错动力学模拟的基本原理，载于:魏文杰(编)，纳米材料力学模型。材料科学学报，2016,pp. 53- 57。

[10]李建军，张建军，张建军，薄膜中位错与强度的数值模拟，材料科学，54(6)(2009):874-908。

[10]周建军，李建军，周建军，小尺度塑性离散位错动力学模拟，材料学报，58(5)(2010):1565-1577。

[10]王晓东，王晓东，王晓东，等。金属塑性的多尺度模拟，材料工程学报，45(1)(2015):369- 369。

[10]蔡文杰，李文德，李文杰，等。晶体固体缺陷研究，2016。

[10]李建军，李建军，李建军，小尺度金属体系的塑性研究，材料科学，56(6)(2011):654-724。

[10]刘建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军。

[10]刘建军，张建军，张建军，微尺度单晶在压缩条件下的塑性，材料工程学报，39(2009):361-386。

[10]王晓东，王晓东，王晓东，纳米金柱的位错强化，物理学报，33(4)(2006)。

[10]冯国强，李晓东，李晓东，纳米和微米尺度下的形变:应变梯度和位错抑制的影响，薄膜学报，31(6)(2007):352 - 357。

[10]李建军，李建军，李建军，刘建军，屈位源长度对材料屈服强度的影响，力学学报，36(4)(2007):313-316。

[10]刘志强，刘志强，刘志强，吴志强，三维离散位错模拟中晶体流动的非热机制，物理学报，56(13)(2008):345 - 359。

[10]刘志强，刘志强，吴志强，吴志强，吴志强，纳米单晶中单端位错源强度的估计，光子学报，37(3)(2007):477 - 494。

[10]吴坤生，颜宏伟，微柱中Schmid定律的分解，物理学报，59(7)(2008)796-799。

[10]王晓明，王晓明，王晓明，微柱塑性控制机制的研究进展，力学与工程学报，32(1)(2009):334 - 334。

[10]张建军，张建军，张建军，张建军。基于源的亚微米Al纤维增强，材料学报，36(3)(2012):977-983。

[10]刘毅，蔡伟，高洪军，面心立方微柱塑性变形的随机行为与表面成核，物理学报(2015):176-183。

w·d·尼克斯，s.w。李，位错形核对微柱塑性的影响，物理学报，vol . 31(7-9)(2011): 1084-1096。

[10]蔡文伟，张文华，位错动力学模拟的迁移率规律，材料科学与工程，A: 387-389(2004): 277-281。

[10]李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军，李建军。

[10]蔡文伟，温伯杰，金属微柱表面控制的位错扩散，中国科学院学报，105(38)(2008):14304-14307。

[10]李建军，李建军，李建军，金在微米尺度下的力学性能，力学学报，53(6)(2005):1821-1830。

[10] M.D. Uchic, D.M. Dimiduk, J.N. Florando, W.D. Nix，样品尺寸对强度和晶体塑性的影响，科学305(5686)(2004)986-989。

[10]李建军，李建军，李建军，李建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军。

[10]吴坤生，王洪伟，铝微柱塑性的随机特性，材料学报，56(8)(2008):1712-1720。

[10]李建军，李建军，李建军，纯镍微晶的单滑移行为，材料学报，53(15)(2005):4065-4077。

[10]刘建军，刘建军，刘建军。晶体塑性的无标度间断流动，科学学报，32(7)(2006):1188-1190。

[10]李晓东，李晓东，金柱变形的尺寸效应，金属学报(自然科学版)，36(5)(2006):567- 579。

[10]陈建军，陈建军，陈建军，陈建军，铜在微米尺度下的力学性能测定，材料工程，8(11)(2006):1119-1125。

[10]李建军，李建军，李建军，应变梯度塑性理论与实验，金属学报，42(2)(1994):475-487。

[10]邓立杰，张建军，张建军，张建军，细金属丝的弹性极限与应变硬化，物理学报，33(5)(2009)。

[10]刘德彬，何彦明，张斌，甘志平，胡鹏，丁海明，金属细丝扭转尺寸效应的实验与理论评估，力学学报，2013,30-52。

[10]刘德彬，何彦明，邓德杰，张斌，甘志平，胡鹏，丁海明，微米尺度金属丝循环扭转的异常塑性，物理学报，110(24)(2013)。

[10]刘建军，杨建军，杨建军，一种基于微弯曲试验的塑性长度尺度测量方法，材料学报46(14)(1998)5109-5115。

[10]刘建军，张建军，张建军，纳米薄膜的应变梯度效应，材料学报，51(11)(2003):3053-3061。

[10] C. Motz, D. Weygand, J. Senger, P. Gumbsch，微弯曲试验:三维离散位错动力学模拟与实验的比较，物质学报56(9)(2008)1942-1955。

[10]马庆，陈志强，银单晶硬度的研究进展，金属学报，10(4)(1995):853-863。

[10]李文强，张建军，张建军。薄膜的力学性能，金属学报，20(11)(1989):2217-2245。

[10]刘建军，刘建军，刘建军，杨建军，钨钼单晶微压痕的研究，金属学报，41(10)(1993):2855-2865。

[10]刘丽娟，蔡伟，高宏杰，面心立方微柱的各向异性塑性研究，力学学报，32(1)(2016):563 - 563。

[10]蔡文伟，张建军，张建军，金属纳米线的定向塑性:扭转边界的形成和Eshelby扭转，机械工程学报，10(1)(2010)139-142。

[10]杨晓峰，杨晓峰，杨晓峰，纳米硬度对压痕尺寸和晶粒尺寸的影响——位错与晶界相互作用的局部检验，材料学报55(3)(2007)849-856。

[10]李建军，李建军，金晶薄膜纳米压痕行为的微观结构长度尺度效应，材料学报，54(6)(2006):1583-1593。

[10]范海东，王晓明，王晓明，王晓明，基于位错动力学的多晶镁合金孪晶变形的研究，力学学报，2015,36(4):326 - 326。

[10]范海东，王晓明，王晓明，超细晶镁合金中晶粒尺寸效应的影响因素，材料学报，2015,25-28。

[10]范洪东，李振华，黄明生，压缩单/双晶微柱的间歇性塑性响应研究，岩土工程学报，36(10)(2012):813-816。

[10]李建军，张建军，李建军，张建军，多晶流动强度的离散位错塑性分析，材料学报，24(12)(2008):2149-2172。

[10]李建军，李建军，李建军，位错与晶界的相互作用，固体材料科学18(4)(2014)227-243。

[10]张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军。

[10]王晓东，王晓东，王晓东，基于原子模拟的晶界滑动传递研究，固体材料科学，18(4)(2014):188-195。

[10]朱涛，李建军，金海光，苏瑞思，纳米结构金属的界面塑性与应变速率敏感性，材料学报，34(9)(2007):3031-3036。

[10] A. vattreve, B. Devincre, F. Feyel, R. Gatti, S. Groh, O. Jamond, A. Roos，基于三维位错动力学的晶体塑性建模:基于离散-连续模型的再探讨，力学与工程学报，2014,49(4):491-505。

[10]刘志林，刘小明，庄志明，尤新成，亚微米-纳米尺度晶体塑性的多尺度计算模型，材料学报，25(8)(2009):1436-1455。

[10]张建军，张建军，张建军，镍基单晶高温合金塑性变形的取向依赖性:离散-连续模型模拟，材料学报，58(6)(2010)1938-1951。