加拿大麦吉尔大学Jun Song教授团队：金属材料中位错环演化的计算研究进展
加拿大麦吉尔大学Jun Song教授团队：金属材料中位错环演化的计算研究进展
位错可以说是晶体中最重要的线缺陷。特别是在金属材料中，位错主导塑性变形，并在决定材料的强度、韧性、疲劳寿命和蠕变性能方面起着至关重要的作用。在有限连续体中，位错线必须终止于自由表面、晶格缺陷（如晶界）或通过自身闭合形成环状结构。这类闭合的位错结构被称为位错环，其几何与拓扑特性相比单根位错线更为复杂，因此对材料的力学性能影响也更为多样。位错环在材料中广泛存在，尤其在经历极端环境时更为显著，例如淬火、剧烈塑性变形、高能粒子辐照、腐蚀及氢脆等工况下均可观察到位错环的形成与演化。由于位错环的复杂性，它们可能通过影响位错运动、材料的强化机制及微观损伤积累过程，从而调控材料的塑性流动、硬化行为以及断裂机制。因此，深入理解位错环的形成、演化及与材料性能的耦合机制，对于优化金属材料的耐久性和服役性能至关重要。
1. 文章内容简介
本研究综述了在极端服役环境下金属材料中位错环演化的计算研究进展，重点关注无序FCC、HCP和BCC金属体系并进一步拓展到L1₂等有序合金体系。传统模拟方法在捕捉位错环的复杂结构及其相互作用方面存在局限性。为突破这些限制，我们设计了一种新的计算方法，可精准构建和分析位错环。该方法不仅能够自动考虑必要的原子增减，还具备高度通用性，适用于任意点阵结构和位错环形态，以及相关的平面层错或层错组合，涵盖纯金属和有序合金体系。这一方法为跨不同晶体结构研究位错环转变提供了关键技术支撑。
具体来说，在高对称性的FCC金属中，位错环的转变涉及由Shockley环和Frank环相互作用驱动的复杂去层错化过程，并受应力、温度及辐照等因素影响。相比之下，HCP金属的低对称性及高度各向异性的滑移体系导致位错环的转变更加复杂，涉及多种Burgers矢量的变化及不同平面层错的作用。相对于纯FCC和HCP金属，L12-Ni3Al等有序金属间化合物因其晶格的平移和旋转对称性发生破缺，使位错环与线位错的相互作用更加复杂，表现出非对称剪切及环形成机制。对于 BCC 金属而言，由于缺乏稳定的层错，其位错环演化方式截然不同，并与碳、氢等杂质原子存在更强的相互作用。其中，位错环与氢的相互作用在BCC 金属中尤为关键，因为这可能导致材料在辐照、氢脆及剧烈变形条件下发生严重损伤。总的来说，在极端环境下对位错环的研究仍处于发展阶段，涉及众多复杂挑战和关键科学问题，许多现象尚未完全揭示，亟待深入研究和解决。
图1 不同晶格点阵结构中位错环的演化机制
2. 可能出现的研究机会
当前能够准确描述缺陷行为的原子间相互作用势十分有限，特别是针对化学成分复杂的多主元化合物合金，这极大地限制了对位错环的原子尺度研究。机器学习（ML）原子势为解决这一挑战提供了新机遇，利用ML算法精确建模多元合金中的复杂原子相互作用，将有助于深化对位错环行为的理解并提升预测能力。
位错环的厚度通常处于纳米级（数埃至数纳米），而其横向尺寸可能从几纳米扩展至几十微米，因此仅依赖原子尺度模拟难以全面解析其行为。整合原子尺度与连续位错动力学的多尺度计算框架可弥合原子尺度现象与宏观材料行为之间的鸿沟。然而，现有位错动力学算法主要针对无序BCC、FCC和HCP结构，需调整以适应具有复杂化学成分和有序超点阵结构的位错环构型。
在实验研究方面，位错环的精细分析依赖于先进的微结构表征技术，这不仅需要提高其空间和时间分辨率，还需增强对层错和超点阵结构的识别能力，以准确捕捉位错环的动态演化，尤其是在极端环境下的转变过程。
此外，位错环与空位及间隙原子的相互作用对裂纹扩展和材料断裂至关重要，发展能模拟裂纹处不同类型位错环形核并耦合点缺陷相互作用的多尺度模型，将有助于更精确地预测断裂行为，并匹配实验观察结果。
3. 关注的研究热点
现阶段位错环转变理论及算法构架主要适用于无序固溶体结构，与之相比，对于主要由长程有序相强化的有序合金而言，只有少数报道。有序合金独特的超晶格点阵结构使位错环的形成与演化过程呈现出显著差异，未来期待能将现有的位错环转变理论从理想FCC、HCP和BCC点阵拓展至有序超晶格点阵结构（如L10、D019和B2），及具有复杂成分的多组元金属间化合物合金。实现这一目标的关键在于开发一个通用算法平台，能用于构建包含扩展超点阵层错的位错环模型，支持位错环拓扑结构分析，自动表征多种有序晶格结构、超位错及位错环缺陷群，以更精准地描述位错环在极端环境下的跨维度转变和位错反应路径。这将填补现有位错环转变理论在有序合金体系中的空白，为先进有序合金在航空航天与核工程领域的研发和应用提供理论支撑，并进一步推动材料科学的发展。
4. 科研心得
给大家分享一本经典的参考书——Theory of Dislocations，这本书系统深入地介绍了位错及位错环理论，涵盖了位错的数学描述（如 Burgers 矢量、位错弹性理论）、位错的运动与交互作用，以及它们对材料力学性能的影响。作为材料科学和固体力学领域的重要著作，该书以弹性理论和连续介质力学为基础，对位错的应力场、能量计算、位错与晶界/相界的关系等进行了严谨的推导，为理解金属和晶体材料的塑性变形与强化机制提供了重要的理论支持。值得注意的是，本书的理论框架主要基于连续介质模型，对纳米尺度上的位错行为未作详细探讨。近年来，第一性原理和分子动力学等计算材料学方法的发展，使得研究位错环、位错滑移、位错交互作用、界面位错（如孪晶界和相界面位错）的微观机理成为可能。结合这些计算方法，可以将原子尺度到连续尺度的模拟相融合，更全面地揭示位错的形成、演化及其对材料性能的影响，进而深化对塑性变形、氢脆、疲劳、蠕变等现象的理解。