超聲速螺位錯(cuò)研究取得進(jìn)展

日前，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、上海交通大學(xué)和浙江大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在晶體材料中的基本缺陷——螺位錯(cuò)在變形過程中的超聲速現(xiàn)象研究方面獲得進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)面心立方晶體材料中的螺位錯(cuò)不僅能超聲速，并能穩(wěn)定地以聲速運(yùn)動(dòng)。相關(guān)結(jié)果以Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed 為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 122,045501(2019)）上。

金屬晶體的強(qiáng)度跟韌性很大程度上取決于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，特別是螺位錯(cuò)在材料的強(qiáng)度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯(cuò)的速度極限和確切的速度–應(yīng)力關(guān)系尚不明確。傳統(tǒng)理論認(rèn)為位錯(cuò)超聲速運(yùn)動(dòng)所需能量具有奇異性，盡管后續(xù)的理論和模擬研究都表明位錯(cuò)可以超聲速運(yùn)動(dòng)，但這些研究集中于刃位錯(cuò)。該團(tuán)隊(duì)利用分子尺度計(jì)算和理論分析，發(fā)現(xiàn)銅晶體中的螺型全位錯(cuò)和螺型孿晶界不全位錯(cuò)都能穩(wěn)定地以聲速滑移，并都能超聲速運(yùn)動(dòng)(超過三個(gè)各向異性剪切波速，如下圖中的三個(gè)馬赫錐所示)。由于螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，超聲速螺位錯(cuò)還是首次被模擬發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，他們的工作表明，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)還與非施密特應(yīng)力(不貢獻(xiàn)分解剪應(yīng)力RSS)有關(guān)，與傳統(tǒng)施密特原理相悖。這項(xiàng)研究推翻了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中對(duì)超聲速位錯(cuò)的認(rèn)知，確認(rèn)了超聲速螺位錯(cuò)的存在。該研究結(jié)果為晶體材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，以及孿晶界面的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供了更深入的理解。

力學(xué)所博士彭神佑為論文第一作者，研究員魏宇杰為通訊作者。論文作者還包括上海交大教授金朝暉、中科院院士楊衛(wèi)。該項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金(Grants NO.11425211和NO.11790291)和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB22020200)的支持，計(jì)算模擬得到中科院超級(jí)計(jì)算中心支持。

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圖.各向異性晶體銅中超聲速螺位錯(cuò)所產(chǎn)生的主要剪應(yīng)力場(chǎng)（左側(cè)）以及其在超聲速運(yùn)動(dòng)時(shí)，突破三個(gè)剪切波過程中產(chǎn)生的馬赫錐