Дислокационные лавины

Лавины дислокаций — это быстрые дискретные события во время пластической деформации, в которых дефекты реорганизуются коллективно. Такое прерывистое поведение потока наблюдалось в микрокристаллах, тогда как макроскопическая пластичность выглядит как плавный процесс. Прерывистое пластическое течение наблюдалось в нескольких различных системах. В сплавах AlMg взаимодействие между растворенным веществом и дислокациями может вызывать внезапный скачок во время динамического деформационного старения. В металлическом стекле это можно наблюдать через сдвиговые полосы с локализацией напряжения; а в пластичности монокристалла это проявляется как скользящий взрыв. Однако анализ событий с разницей в размерах на порядки величин с различной кристаллографической структурой выявляет степенной масштаб между числом событий и их величиной, или безмасштабный поток.

Эта микроскопическая нестабильность пластичности может иметь глубокие последствия для механического поведения микрокристаллов. Увеличенный относительный размер флуктуаций затрудняет контроль процесса пластического формования. Более того, при малых размерах образцов предел текучести уже не определяется критерием пластической деформации 0,2%, поскольку это значение варьируется от образца к образцу.

Подобные перемежающиеся эффекты изучались во многих совершенно разных системах, включая перемежаемость диссипации энергии в магнетизме (эффект Баркгаузена), сверхпроводимости, землетрясениях и трении.

Фон

Макроскопическая пластичность хорошо описывается континуальной моделью. Движения дислокаций характеризуются средней скоростью

${\displaystyle \tau =\rho b{\bar {v}}}$

которое известно как уравнение Орована. Однако этот подход совершенно не учитывает хорошо известные явления прерывистой деформации, такие как пространственная локализация потока дислокаций в «полосах скольжения» (также известных как полосы Людерса) и временные колебания в кривых напряжение-деформация (эффект Портевена–Ле Шателье, впервые описанный в 1920-х годах).

Экспериментальный подход

Хотя доказательства прерывистого поведения потока известны и изучаются уже давно, количественное понимание этого явления было получено лишь в последние два десятилетия с помощью новых экспериментальных методов.

Акустическая эмиссия

Акустическая эмиссия (АЭ) используется для регистрации шума потрескивания от деформирующихся кристаллов. Амплитуды акустических сигналов могут быть связаны с площадью, охваченной быстро движущимися дислокациями, и, следовательно, с энергией, рассеиваемой во время событий деформации. Результат показывает, что шум потрескивания не является гладким, без определенной энергетической шкалы. Влияние структуры зерна на «сверхкритический» поток было изучено в поликристаллическом льду.

Прямое механическое измерение

Последние разработки в области мелкомасштабных механических испытаний с субнм разрешением по смещению и субмкН разрешением по силе теперь позволяют напрямую изучать дискретные события в напряжении и деформации. В настоящее время наиболее известным методом является эксперимент по миниатюрному сжатию, в котором используется наноиндентор, оснащенный плоским наконечником для вдавливания. Оснащенный методами in-situ в сочетании с просвечивающей электронной микроскопией, сканирующей электронной микроскопией и методами микродифракции, этот метод наномеханических испытаний может дать нам богатые детали в наномасштабных пластических нестабильностях в реальном времени.

Одной из потенциальных проблем в наномеханических измерениях является: насколько быстро может реагировать система? Может ли кончик индентора оставаться в контакте с образцом и отслеживать деформацию? Поскольку скорость дислокации сильно зависит от напряжения, скорость может отличаться на много порядков в разных системах. Кроме того, многомасштабная природа события лавины дислокаций дает скорости дислокаций большой диапазон. Например, было показано, что отдельные дислокации движутся со скоростью ~10 м/с в чистой Cu, но группы дислокаций движутся со скоростью ~10 м/с в Cu-0,5%Al. Противоположная ситуация обнаружена для железа, где обнаружено, что группы дислокаций движутся на шесть порядков быстрее в сплаве FeSi, чем отдельные дислокации в чистом железе.

Чтобы решить эту проблему, Спаркс и др. разработали эксперимент для измерения первого разрушения балки Si и сравнения с теоретическим прогнозом для определения скорости реакции системы. В дополнение к обычным экспериментам по сжатию были проведены измерения сопротивления электрического контакта (ECR) на месте. Во время этих испытаний на месте постоянное напряжение подавалось во время эксперимента по деформации для регистрации эволюции тока во время прерывистого пластического течения. Результат показывает, что кончик индентора остается в контакте с образцом на протяжении всех экспериментов, что доказывает, что скорость реакции достаточно высокая.

Теоретический анализ и моделирование

Распределения деформаций лавины имеют общий вид

${\displaystyle P(s)=Cs^{-\tau }exp[-(s/s_{0})^{2}]}$

где C — константа нормировки, t — показатель масштабирования, а s₀ — характерная деформация крупнейших лавин.

Динамическое моделирование дислокации показало, что ${\displaystyle \tau }$ иногда может быть близко к 1,5, но также, во много раз более высокие показатели наблюдалось, со значениями, которые могут даже приближаться к 3 в особых обстоятельствах. В то время как традиционные предсказания теории среднего поля предполагают значение 1,5, более продвинутые исследования среднего поля продемонстрировали, что более высокие показатели могут быть вызваны нетривиальными, но распространенными механизмами в пластичности кристаллов, которые подавляют распространение подвижных дислокаций.

Влияние кристаллической структуры на дислокационные лавины

В кристаллах FCC масштабированная скорость показывает основной пик в распределении с относительно гладкой кривой, что ожидается из теории, за исключением некоторого несоответствия при низкой скорости. Однако в кристалле BCC распределение масштабированной скорости шире и гораздо более рассеяно. Результат также показывает, что масштабированная скорость в BCC намного медленнее, чем в FCC, что не предсказывается теорией среднего поля. Возможное объяснение этого расхождения основано на разной скорости движения краевых и винтовых дислокаций в двух типах кристаллов. В кристаллах FCC две части дислокации движутся с одинаковой скоростью, что приводит к плавному усредненному профилю лавин; тогда как в кристаллах BCC краевые компоненты движутся быстро и быстро ускользают, в то время как винтовые части распространяются медленно, что тянет общую скорость. Основываясь на этом объяснении, мы также будем ожидать зависимости от направления событий лавины в кристаллах HCP, для которых в настоящее время отсутствуют экспериментальные данные.