导读：本文证明钨中螺位错滑行运动的高活化势垒导致螺位错之间的排斥相互作用，并在未预期的施加载荷条件下触发位错运动。原位透射电子显微镜证实了排斥性耦合运动和排斥力的消失对于排斥性螺旋位错与热激活（低温）状态下的位错运动的扭结对机制兼容。本文提出了一种影响扭结对bcc金属加工硬化的新机制。排斥性导向的螺型位错在没有附加施加应力的情况下共同滑动，而不是阻碍移动的螺钉错位的运动，这可能有助于更好地理解高变形bcc金属延展性的增加。

金属材料因其良好的可成型性，强度和韧性而主要用于技术应用中。这种良好的材料性能组合从根本上取决于塑性变形过程中的加工硬化。由于位错运动，金属在不可逆的塑性变形下对机械载荷的响应在微观尺度上发生。位错一般在密排面上滑移，位错滑移会导致材料在滑移面上方和下方在伯氏矢量方向上产生相对移动。实际塑性变形是位错滑移、位错增殖和湮灭相互作用的结果，在良好的滑移系上，以滑移面和伯氏矢量为特征，位错在材料受力时共同移动并成倍增加，位错密度急剧增加，这反过来又被认为导致了加工硬化，其表现为在应变时材料的流动应力的增加。

加工硬化依赖于金属的晶体结构，例如金属，像铝或铜这样的面心立方（fcc）金属通常比像铁或钨这样的体心立方（bcc）金属加工硬化更强。位错在不同滑动面上的长程相互作用是由位错引入的弹性畸变引起的。另外，位错相交处的短程相互作用会导致位错周围的原子排列发生变化，并导致形成位错缠结。将加工硬化称为林硬化的解释是基于位错在倾斜滑移系统上的相互作用阻碍了可移动位错的运动，从而导致进一步塑性变形的应力增加。

所有的加工硬化模型都在本质上假设位错之间的相互作用总是通过排斥接近或钉扎连接来阻碍位错运动，这阻止了位错的释放和进一步运动。因此，加工硬化模型都包括对流动应力的贡献，该贡献与平均位错间距L成反比，而平均位错间距L又与位错密度有关。尽管这些隐含假设和由此产生的加工硬化模型对于高温fcc金属或bcc似乎是合理的，其中位错滑移仅由滑移面上的切应力控制。

在低温下的bcc金属中，螺型和非螺型位错对外加应力有完全不同的响应。非螺型位错可以弯曲，其运动完全由滑移面的剪切应力控制，相反，螺型错位保持笔直，应力张量的其他分量影响其滑动行为。螺型位错的复杂核心结构及其对非滑动应力的敏感性是这种所谓的非施密特行为的起源。据认为，这种核心结构通过连续的成对运动在原本笔直的螺旋位错线上使螺位错滑动，并导致低温下bcc金属的热活化变形行为。但是，人们还不清楚位错在低温条件下对硬化工作的作用。 

基于此，本文使用离散位错动力学（DDD）模拟和原位实验系统地研究了bcc金属中螺型位错的相互作用，排斥性导向的螺型位错在没有附加施加应力的情况下共同滑动，而不是阻碍移动的螺钉错位的运动，这可能有助于更好地理解高变形bcc金属延展性的增加。相关研究结果以题为“Repulsion leads to coupled dislocation motion and extended work hardening in bcc metals”发表在Nature communication上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18774-1

图1.  模拟设置和耦合运动

图2. 排斥相互作用位错的应力分布

图3.耦合滑移的原位TEM观察：不同时间步长的位错滑移的实验观察

图4.钨单晶在[100]和[111]加载方向上的变形行为

综上所述，基于bcc金属非共面滑移系统之间的排斥相互作用，本文提出了一种影响扭结对bcc金属加工硬化的新机制。排斥性导向的螺型位错在没有附加施加应力的情况下共同滑动，而不是阻碍移动的螺钉错位的运动。目前的工作表明，相互作用区域仅限于相互作用位错的很小区域。这些结果深刻地改变了内部应力的概念，至少在bcc金属或扭结对机制控制位错运动的材料中。

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