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超聲速螺位錯

作者:魏宇傑 2019-02-02 17:11 來源:
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  日前,中科院力學所、上海交大和浙江大學的團隊在晶體材料中的基本缺陷 螺位錯在變形過程中的超聲速現象研究方面獲得重要進展。他們發現面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速,並能穩定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"爲題發表在物理評論快報上(Physical Review Letters 122,045501 (2019))。 

  金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質,特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度應力關系尚不明確。傳統理論認爲位錯超聲速運動所需能量具有奇異性,盡管後續的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動,但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析,發現銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩定地以聲速滑移,並都能超聲速運動(超過三個各向異性剪切波速,如下圖中的三個馬赫錐所示)。由于螺位错运动过程存在结构不稳定性,超聲速螺位錯还是首次被模拟发现。同时,他们的工作表明,位错的运动还与非施密特应力(不貢獻分解剪應力RSS)有关,与传统施密特原理相悖。这项研究推翻了传统连续介质力学中对超声速位错的认知,确认了超聲速螺位錯的存在。该研究结果为晶体材料的动态力学行为,以及孪晶界面的位错运动提供更深入的理解。 

 

  各向异性晶体铜中超聲速螺位錯所产生的主要剪应力场(左侧)以及其在超声速运动时,突破三个剪切波过程中产生的马赫锥 

    力学所彭神佑博士为論文第一作者,魏宇杰研究員为通讯作者,論文作者还包括上海交大金朝晖教授,浙江大学杨卫院士。该项目得到国家自然科学基金(Grants NO. 11425211 NO. 11790291)和中國科學院战略性先导科技专项(XDB22020200)的支持,計算模擬得到中科院超級計算中心支持。 

  相關文章 Phys. Rev. Lett. 122, 045501 (2019) 

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