文丨清河敘
編輯丨清河敘
前言
近年來，微帶和剪帶這兩種結構在塑性流動定位和變形過程中引起了研究人員的廣泛關注。儘管已經過去了70年，實驗研究仍未完全了解這些帶的性質。
最新的研究表明，在不同金屬和合金的變形過程中，當細胞結構發生破壞後，這些微帶和剪帶結構會出現，並且在各個變焦水平上都能觀察到其定位變形。
考慮到塑性變形遠離熱力學平衡的特性，我們提出了一種協同模型來解釋金屬晶體中這些結構形成的機制，並且闡明了這些帶結構對於塑性變形的重要性。
此外，材料的微觀反應與宏觀傳導之間的關係對於質量傳遞過程至關重要。然而，現有的理論模型往往未能考慮到材料在外部機械場下的微觀反應與宏觀傳導之間的聯繫。在晶體材料的塑性變形理論中，微帶結構的性質和功能仍然是一個核心問題。
雖然自組織結構在變形過程中的出現已經得到了研究，但這個問題仍然沒有得到充分的探索。最近的研究發現，在不同金屬和合金的變形過程中，微帶和剪帶結構會在細胞結構破壞後出現，並在各個放大水平上都能觀察到其定位變形。
哪一種結構的形成有可能防止塑性變形過程中材料的退化和破壞？
這種結構只能由晶體在變形過程中的自組織而形成，並提供不同的塑性流動機制。需要滿足以下條件。
- 該過程必須是合作的，即，它必須同時發生在變形材料的不同結構尺度的水平上。
- 協同結構必須在不同的結構尺度上具有形態上的自相似性，即層次結構。
- 變形試樣中所有結構形成層次的相互作用是必要的。
對金屬材料變形結構形成的實驗結果和理論研究表明，有可能通過液體樣結構（片帶，微帶）的通道將塑性流動機制從位錯滑移轉變為流體動力流動。
這些結構元素定位了塑性流動，而這些地層外的材料結構保持不變，而水動力通道內部的結構被空位和空位簇所豐富。它提供了套管內的水動力流動。
研究表明，缺陷在初始材料中會導致塑性變形伴隨著早期空位的形成和位錯遷移過程中空位團簇的形成。且這些空缺缺陷的自組織性是在外部機械場的作用下發生的，並以帶的形式形成非晶結構。
這些形成可以看作是HC的一個核，空位缺陷的局部化不僅在類液體結構的微帶中產生，還在負載下可以增加。
自20世紀中期以來，科學論文開始涉及新的變形結構元素，這些元素是條帶（SBs和MBs），形態學上不同於已知的細胞結構。這些工作詳細描述了這些結構元素在負載下的行為。
研究使用透射電鏡法揭示了多晶銅軋制過程中的SBs和MBs，並觀察了微帶結構元素的變形定位，但沒有發現位錯滑移線的痕迹。
因此，根據研究結果可以得出以下結論：
- 微晶體是單晶和多晶合金中塑性變形的局部化區域。
- 微帶的方向與位錯滑移的軌跡不一致；在滾動過程中，微帶向滾動平面傾斜350角。
- 微生物在大部分區域與細胞和晶界相交，而不改變方向。
微帶和微帶帶狀結構
通過分析，研究提出微帶的形成是變形結構分岔過程的證據，這表明微帶具有協同性。
微帶是晶體在塑性變形過程中自組織的結果，可以促進變形的延續，因為存在微帶的塑性流動可以通過通道（微帶）中的均勻傳質實現。透射電鏡法研究了不同壓縮程度滾動變形的鎢的結構。
儘管樣品是在變形過程完成後進行研究的，但在結構形成的過程中已經觀察到了順序階段。結果表明，缺陷系綜的自組織發生在變形晶體中，能帶結構是在完全混沌的缺陷集合中構思的，而不是在從細胞到碎片的連續過渡等載入過程中形成的。
因此，鎢中變形結構形成的基本階段是先前形成的子結構的消失階段，即所謂的結構不穩定性。此外，研究還發現，位錯滑移不參與變形表面浮雕的形成，擠壓密度明顯較小是由於空位缺陷參與了浮雕的形成。
研究發現，在兩個試驗面的浮雕中，局部塑性流動的MBs和SBs區域形成了浮雕帶，表面的變形緩解是通過整個單晶膜在垂直於表面的方向上傳質的結果。通過比較表面和浮雕地層內部的浮雕圖像，可以確定這些地層在不同結構尺度水平上的形態自相似性。
此外，研究了多晶樣品和感測器的力學性能，結果表明，晶體比多晶樣品在受載時會發生更多的變形，導致晶體中產生多餘的場應力。然而，單晶可以在垂直於其表面的方向上改變其形狀，這種變化與晶體密度的降低有關。
在非熱力學平衡條件下增加能量流時，晶體材料密度的降低是由於空位團簇的自組織所致，這導致晶體結構不穩定並進一步自組織。
利用透射電子顯微鏡研究了單晶鋁在循環變形條件下最低尺度下的MBs形成，發現它們位於較高尺度的帶內，與以往的MBs和SBs結構相同。
在單晶鋁膜的所有尺度上，MBs和SBs的形成使得塑性變形取代了由於流體動力流動中MBs和SBs的形成而引起的位錯滑移，這種結構與空位缺陷的局部化直接相關。
在一定條件下，唯一可能的變形機制是通過流體動力通道（HC）的塑性流動，因為流體動力通道（HC）外的材料結構實際上是保持不變的。多組分合金在脈衝載荷下的軟化尚未得到充分研究。
機械效應條件的關鍵因素
然而化學成分不同的金屬和單相合金在靜壓應力作用下的塑性增加需要更詳細的物理研究。塑性變形後的TEM研究發現了微帶（MBs）在外部機械場最大張量分量方向上的形成。MBs和SBs的形成促進了變形過程，這種結構轉變只在載入過程中發生。
因此，由於機械效應條件（速度、溫度、載入類型）的任何變化，協同帶結構（MBs和SBs）的形成都會增加材料的變形能力。
此外，試驗材料和其他多組分合金的載入過程可能按以下順序進行。材料在載入的初始階段的塑性變形是通過移動缺陷（位錯、偏移及其複合物）進行的。在低速的塑性流動和多晶樣品中明顯的相互作用和缺陷的產生時，缺陷的運動受到了阻礙。
這一方面導致了抑制，有時甚至導致了變形過程的結束，另一方面又導致產生了大量的空缺型缺陷。然而，結構不穩定性的進一步結構自組織要求塑性變形的延長。
因此，載荷的突然變化有助於材料在基本非平衡條件下的自組織，特別是在遠未發生的塑性變形過程中。這些載入機制使獲得作為協同微帶結構的控制結構形成成為可能。
在外部機械場的影響下，帶內的液體樣結構有助於材料的水動力塑性流動。這種非晶結構在卸載後弛豫相變為微晶提供了一個相對穩定的納米結構。
然而，在這些條件下，實現了另一種塑性流動的機制，這是由於內部具有類液體結構的水動力流動通道形式的結構的自組織。
而改變外部機械場（脈衝載荷）的參數有助於該結構的形成。這種結構被空位缺陷飽和，有助於粒子在任何外部能量影響下的溶解。此外，在預測非相合金的重要機械穩定性時，必須考慮到這一點。
結果表明，通道的內部結構一定有助於物質的流動。因此，通道內部的結構很脆弱，類似於液體，由於存在大量的空位缺陷，與晶體結構不同。
在初始狀態有缺陷的晶體中，空位量的倍數增加及其隨後以通道核的形式自組織可能是由於步驟的螺釘位錯的運動。
不幸的是，目前晶體材料的塑性變形理論沒有考慮到改變變形機制，當系統遠離熱力學平衡時，改變的可能性，特別是線性物理定律，特別是位錯理論沒有應用。預測晶體材料在塑性變形和疲勞行為中的力學性能是不可能的，這是解決實際問題的一個重要缺點。
因此，我們試圖將非線性過程的塑性變形檢驗理論引入到遠離熱力學平衡的晶體中。其中最重要的是以HC形式存在的結構的自組織，它將塑性變形的機制從位錯滑動轉變為水動力塑性流動。
結構形變與金屬塑性性能關係的解析
HC中的物質的密度明顯低於原始晶體的密度，這使得我們可以將其結構表示為晶體，被空位和空位團岩強烈扭曲。
研究表明，在應力集中區域的鏈中振蕩的原子會產生空位，並在某些條件下形成有序結構，導致原子空位態的微體積中出現，這是水動力通道的核。通過它發生在體積中局部的物質的粘塑性流動。
此外，模擬中原子的行為受周圍原子的影響，這些影響可以通過邊界條件進行估計。我們使用了周期邊界條件，在IMPNASU簇上進行模擬，因為計算大量的原子和各種場景需要足夠的資源。
通過研究了單晶、多晶金屬和合金的變形結構形成。結果表明，金屬材料在塑性變形過程中結構的形成可以在以下兩種情況下實現：
- 弛豫結構的形成-細胞和多邊形結構的形成，再結晶。它有助於降低內應力，但在變形過程中不起積極的作用。
- 變形晶體協同結構形成。金屬材料在塑性變形過程中的協同結構形成是通過均勻傳質的成核和演化通道進行的，其中包含一個非晶態（類液體）結構。
此外，在大多數真實的金屬和合金中，由於晶體結構存在缺陷，位錯滑移先於通道的形成。在塑性變形條件下，各種障礙抑制了位錯的運動。這導致了熱力學系統的自組織，形成了一個有助於該系統在能量場中「生存」的結構。
塑性變形晶體材料中的結構以微帶和剪切帶形式存在於材料（HC）水動力流動的通道中。研究觀察到帶結構元素，但沒有將這些結構與變形機制的變化聯繫起來。
在我們的研究中，首次將這些結構與塑性增加聯繫起來，並證實了隨著外部機械場（脈衝載荷）的變化，材料顯著軟化，塑性增加。對MBs和SBs內部結構的研究表明，它們內部存在空位缺陷的定位。
結果表明，塑性傳質帶的定位是由於液體樣非晶結構的形成，支持了晶體材料在其中的流體動力流動。給出了在單晶態和多晶態金屬中以及在多相技術金屬合金中以HC形式形成協同結構的例子。
結論
根據這些結果，我們認為位錯滑移不是晶體材料塑性變形的唯一可能機制，外加力學場可能會發生塑性形式的變化。這是因為塑性變形發生在遠離熱力學平衡的條件下，非線性物理定律起作用。
綜上所述，金屬材料中的水動力塑性流動是一種重要的變形機制，在塑性變形過程中發揮著重要作用。通過研究金屬中的結構形成和通道的形成，我們可以更好地理解水動力塑性流動的本質和機制。
這種變形機制的理解對於優化材料的力學性能和疲勞行為非常重要，並且將有助於開發更加高效和可靠的金屬材料。因此，我們可以預計，在未來的研究中，水動力塑性流動將繼續受到關注，並且將在材料科學和工程領域中發揮重要作用。
