一作+通讯，金属材料Nature文章

▲第一作者：Daniel Caillard

通讯作者：Daniel Caillard; Emmanuel Clouet

通讯单位：法国CEMES-CNRS; 法国巴黎萨克雷大学

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05087-0

01
背景介绍

晶体强度和塑性流动由位错的运动和相互作用控制，线缺陷携带原子剪切增量。然而，在大多数晶体中，变形发生在作用于位错上的滑动力最大的晶面中，而体心立方金属的塑性则更为复杂。在低温下，剪应力占主导地位，导致异常滑移(anomalous slip)的产生。

02
本文亮点

1. 利用透射电子显微镜中的原位拉伸试验，本工作表明异常滑移产生于多结的高迁移率，即两个以上位错之间的结，其滑移速度比单个位错大几个数量级。这些结是由简单的二元结与滑动位错的相互作用产生的。

2. 尽管弹性理论预言这些二元结在钨等具有弱弹性各向异性的晶体中应该是不稳定的，但是实验和原子模拟都表明这些结可以在动力学条件下产生，这与包括钨在内的几乎所有体心立方金属中都存在异常滑移是一致的。

3. 最后，本工作的研究表明有必要对变形过程中位错的运动进行原位成像，以充分了解控制塑性的位错相互作用，因为这些负责异常滑移的高度移动的四位错结在事后的观察中本来是不存在的。

03
图文解析

▲图1. 连接铌中四个螺型位错的节点的快速滑动

要点：

1、令人惊讶的是，本工作的实验揭示了一种完全不同的新行为-一组在单个节点上连接的四个直螺位错的快速运动(图1a-c)。这些位错以高于50 μm s^-1的速度在大范围内协同滑移，因此比单个位错高几个数量级。

2、这种快速运动通常从包含两个或多个位错族的缠结的密集区域发出，并在两个箔片表面留下两组水平轨迹。在节点处连接的四个螺型位错必然有不同的伯格斯矢量和为零，解释了为什么在节点滑移后没有位错留下。

3、节点只能沿着两个{110}晶面的交点所定义的[010]方向滑动，因此一方面限制b₁和b₂位错，另一方面限制b₃和b₄位错分别在P₁₂和P₃₄晶面滑动。由于四个位错在P₁₂和P₃₄平面上以异常高的速度协同滑动，而驱动的剪切应力不是最高的，本工作认为这种令人惊讶的行为是异常滑动的真正起源。

▲图2. 铌中四位错节点的形成和快速滑移

▲图3. 铌中四位错节点形成的原子模拟

要点：

1、在原子模拟的帮助下，原位TEM应变实验揭示了导致这种四位错结点的形成和快速滑移的详细机制(图2)。起始构型由两个螺旋位错b₁和b₂组成，它们与Burgers矢量b_JR 反应形成结。

2、正如在微分图像(图2e)上清楚地看到的那样，这些滑移痕迹中的三个与向左逃逸的b₁、b₂和b₃螺位错相连。由于b₄位错的滑移，薄箔下表面的第四条滑移迹是必要的。一旦b₃和b_JR之间的反应产生了b₄位错，这个位错段延伸并在薄箔(图2i, j)的底面形成了P₃₄平面内的螺型位错偶极子。只有当偶极子在P₃₄滑移面所解决的外加应力下有足够的宽度来扩展时，它才能形成并增加其长度，因此只有当初始的〈100〉结足够长时，它才能形成。

3、分子动力学模拟(图3b)很好地再现了这种b₄位错在外加应力下的弓形化，导致了四位错节点的产生。然后将整个构型分为两部分：一组四个螺旋位错连接在一个节点上，该节点快速向左滑动，剩余一个缠结在右侧(图2j, k)上。在图2d中，本工作发现只有这个纠结存在，b₄位错形成另一个螺旋偶极子，其方向与它的伯格斯矢量一致，并允许它的识别。

4、本工作发现所有的b₁和b₂位错在单一的P₁₂平面，即起始网络的平面内滑移，这导致了异常滑移的非常粗糙和平直的滑移带特征。这种机制也与介于两个Burgers矢量方向之间的平均剪切方向以及通常在异常滑移条件下观察到的死带(dead band)的缺失相一致。

▲图4. 由两个1/2〈111〉螺位错交汇形成[010]结

要点：

1、由于两个1/2〈111〉螺位错的相互作用而产生足够长的〈100〉结，这似乎是异常滑移的一个重要成分，因为它们是创建滑动的多结所必需的。特别地，在钨(A=1)的各向同性情况下，原子模拟证实了2个1/2〈111〉螺旋位错的相互作用不会自发导致〈100〉结的产生(图4b)。这似乎与钨中异常滑移的存在相矛盾。

2、原位TEM拉伸试验为这个明显的悖论提供了一个解决方案。尽管钨中这些结的能量成本，它们可以在动态条件下由两个相交的螺位错产生(图4c)。TEM观察显示，这些位错只在接触点的一侧受到外加应力而滑移，而在另一侧保持不动，从而导致〈100〉结的产生和扩展。

3、在钨(图4d)和钼中的分子动力学模拟表明，这种〈100〉结的动态产生是由于连接两个螺旋位错的节点处的扭结优先形核，导致一半的螺旋位错的迁移率增加。当〈100〉结反应的能量成本变得太高时，即在各向异性比A远大于0.8的金属中，这种机制将变得不那么有效。这就解释了为什么在所有BCC金属中(A=2.38)比例最高的铁中，在低温下没有观察到由两个相交的1/2〈111〉螺型位错形成的〈100〉结，也没有观察到反常的滑移。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05087-0

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