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主要作者及机构

本研究由Lei Liu、Shangnan Mo、Chenxi Zhu、Xueru Zheng、Ning Gao、Zhiyan Zhong、Fengxian Liu、Yi Hu、Haiyang Yu和Xiao Zhou共同完成。作者团队来自多个知名研究机构，包括上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室（State Key Lab of Metal Matrix Composites, School of Material Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University）、瑞典乌普萨拉大学应用力学系（Division of Applied Mechanics, Uppsala University）、荷兰特文特大学工程学院（Faculty of Engineering, University of Twente）以及德国马普可持续材料研究所（Max–Planck-Institut für Nachhaltige Materialien）。研究发表于《International Journal of Plasticity》，接收日期为2025年5月15日，修订日期为2025年8月20日，最终版本将于2025年正式出版。

学术背景

本研究属于材料科学与力学交叉领域，聚焦于非均匀材料中位错行为的离散位错动力学（Discrete Dislocation Dynamics, DDD）模拟。非均匀材料（如金属基复合材料和析出强化合金）因其优异的力学性能在航空航天和汽车工业中应用广泛。这类材料的性能优势主要来源于第二相/析出相与基体之间的位错相互作用。其中，棱柱位错环（Prismatic Dislocation Loops, PDLs）的形成对材料强度和质量传输具有重要影响。热膨胀系数差异导致的热失配应力是PDLs形核和运动的关键驱动力。

尽管前人已对球形夹杂物（inclusion）生成PDLs的机制有较多研究，但非球形（如椭球形）夹杂物生成PDLs的动态行为和机制尚不明确。此外，螺旋位错（Helical Dislocation）作为另一种重要的缺陷结构，其形成机制也缺乏系统性解释。本研究旨在通过DDD模拟，揭示椭球形夹杂物生成PDLs和螺旋位错的动态过程，阐明几何参数（如纵横比）和取向对位错行为的影响，并建立螺旋位错形成的物理机制。

研究流程与方法

研究采用改进版的DDLab软件进行离散位错动力学模拟，主要流程可分为以下步骤：

1. 模型构建与参数设置

   • 研究对象为面心立方（FCC）铝基体中的碳化硅（SiC）椭球形夹杂物。基体剪切模量（μ₁）设为26 GPa，泊松比（ν₁）为0.35；夹杂物剪切模量（μ₂）为192 GPa，泊松比（ν₂）为0.17。
     
   • 位错段长度范围为20|b|至100|b|（|b|为伯格斯矢量模长，取2.86 Å），临界湮灭距离（rₐₙₙ）设为最小段长度的1/6，位错核心半径为4|b|。
     
   • 热失配应变设为1%，基于Al-SiC复合材料从550℃冷却至室温的应变计算。

2. 驱动力的计算

   • 采用非奇异连续介质位错理论计算节点驱动力，包括弹性相互作用力（𝑭̃ᵢ）、自弹性力（𝑭ᵢˢᵉˡᶠ）、夹杂物诱导的失配力（𝑭ᵢᵐⁱˢᶠⁱᵗ）和外力（𝑭ᵢᵉˣᵗ）。其中𝑭ᵢᵐⁱˢᶠⁱᵗ通过三点高斯积分法计算，基于Eshelby张量的准解析解求解椭球形夹杂物的应力场。

3. 初始位错环的引入

   • 初始位错环（半径60|b|）的位置通过能量最小化原则确定，即在采样平面上选择最大|𝜎_bn|（分切应力）的位置。采样平面与夹杂物相切，法向量与PDLs的伯格斯矢量对齐。

4. 位错动力学模拟

   • 采用线性迁移率函数计算位错节点速度，拖曳系数设为𝐵_edge = 1.11×10⁻⁴ Pa·s（刃型位错）和𝐵_screw = 1.81×10⁻⁴ Pa·s（螺型位错）。
     
   • 交叉滑移（cross-slip）判据基于Peach-Koehler力在初始滑移面和交叉滑移面上的分量差异。

5. 参数化研究

   • 系统改变椭球形夹杂物的纵横比（r₃/r₁，从1/4至6）和取向（α，-45°至45°），分析PDLs的形成过程。
     
   • 研究夹杂物尺寸（r₃* = r₃/0.5 μm）和失配应变（0.4%至1%）对螺旋位错形成的影响。

主要结果

1. PDLs从椭球形夹杂物的生成

   • 纵横比（aspect ratio）主导PDLs的尺寸：随着r₃/r₁增大，PDLs的周长和面积呈单调增加（图2a）。例如，r₃/r₁=6时PDLs的周长是r₃/r₁=2时的1.8倍。
     
   • 取向（orientation）影响PDLs的形状和形成时间：当α=45°时，PDLs的生成时间比α=0°延长30%（图5a），且轮廓呈现非旋转对称性（图5c-h）。
     
   • 夹断（pinch-off）行为的关键因素：当螺型位错间的吸引力（1/𝑟）和Peach-Koehler力差异（||𝐹_pks1| − |𝐹_pks2||）占优时，夹断易发生（图3a）。例如，r₃/r₁=1/3时夹断成功，而r₃/r₁=4时夹断失败。

2. 螺旋位错的形成机制

   • 夹杂物尺寸效应：较大的r₃*（如1.0）导致螺型位错相遇时的最小距离（𝑟）增大，削弱吸引力，抑制夹断（图9d）。此时螺旋位错的圈数（turn number）从1增至2以上（图9a）。
     
   • 失配应变效应：较高的失配应变（如1%）增大了滑移面上的Peach-Koehler力差异（||𝐹_pki1| − |𝐹_pki2||），同样抑制夹断（图11c）。
     
   • 加速原子传输的机制：当理想PDLs尺寸或失配应变增大时，螺旋位错通过减少形核时间加速原子传输（图12）。

3. 实验验证

   • 模拟结果与实验观察一致：例如，纤维侧面PDLs的形成（图6d-f）与锆合金中针状夹杂物的实验现象（Carpenter et al., 1973）吻合；连续PDLs从纤维尖端生成（图7d-e）也与AgCl基复合材料的实验结果（Dunand and Mortensen, 1991）一致。

结论与价值

本研究首次通过DDD模拟系统揭示了椭球形夹杂物生成PDLs和螺旋位错的动态过程，主要科学价值包括：
1. 理论创新：阐明了非旋转对称应力场下PDLs的形成机制，证实了夹断行为对位错构型的决定性作用。
2. 机制完善：提出了螺旋位错形成的“尺寸-应变协同效应”——较大夹杂物尺寸通过增加𝑟值，而较高失配应变通过增大||𝐹_pki1| − |𝐹_pki2||，共同抑制夹断（图9d, 11c）。
3. 应用指导：为设计高性能非均匀材料提供了理论依据，例如通过调控夹杂物几何形状和取向优化位错强化效果。

研究亮点

1. 方法创新：首次实现了椭球形夹杂物生成PDLs的时间分辨模拟，开发了基于准解析解的应力场计算方法（附录A）。
   
2. 发现创新：揭示了PDLs可从夹杂物的非旋转对称区域生成（图5），并提出了螺旋位错加速原子传输的机制（图12）。
   
3. 跨尺度验证：通过对比实验（图6-8）和模拟，建立了从原子尺度（MD模拟）到微米尺度（DDD模拟）的关联。

其他价值

研究还指出未来需进一步探索的方向，如多重形核位点的影响和模量差异导致的镜像力效应。这些发现为后续研究提供了明确的技术路线。