中国学者在晶体材料超声速螺位错研究中取得重要进展
日期 2019-02-27  来源:数理科学部  作者:雷天刚、白坤朝、张攀峰

在国家自然科学基金项目(项目编号:1142521111790291) 等资助下,中国科学院力学研究所魏宇杰团队和上海交通大学金朝晖教授、浙江大学杨卫院士合作,利用分子尺度计算和理论分析,首次发现晶体材料中超声速运动的螺位错。研究成果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed(螺位错的超声速运动)"为题,于2019129日在Physical Review Letters(《物理评论快报》)上发表。中国科学院力学研究所博士生彭神佑为第一作者,魏宇杰研究员为通讯作者。论文链接为: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.045501

位错是晶体材料中的典型线缺陷,材料的强度和韧性很大程度上取决于材料内部位错的运动性质。按照几何特征,这些位错又分为螺位错和刃位错,前者在材料的强度和变形能力中扮演着主导作用。然而到目前为止,位错在应力作用下的速度极限仍然存在争议,且确切的速度应力关系尚不明确:传统的固体力学理论认为位错超声速运动时所需能量具有奇异性。尽管后续的理论和模拟研究都表明位错可以超声速运动,但这些研究集中于刃位错。该团队利用分子尺度计算和理论分析,发现铜晶体中的螺型全位错和螺型孪晶界不全位错都能稳定地以声速滑移,并都能超声速运动(超过三个各向异性剪切波速,如下图中的三个马赫锥所示)。由于螺位错运动过程存在结构不稳定性,可在声速运动且能达到超声速的螺位错还是首次在模拟系统中被清晰证实。该团队的工作同时发现位错的运动还与非施密特应力有关。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,确认了超声速螺位错的存在,并进一步修正了传统意义上的施密特原理。该研究成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了更深入的理解。


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各向异性晶体铜中超声速螺位错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