体心立方晶体中1/2<111>螺旋位错结构在外场作用下的演化与转变

For BCC crystals, plastic properties are dominated by the 1/2<111> screw dislocation which displays a mutil-fold structure in the ground state. The transformation and transition of a multi-fold screw dislocation under the external stress is a challenge in the dislocation theory. We will generalize the Peierls theory to be one that can deals with non-equilibrium evolution as well as the equilibrium structure of dislocations. Our aim is establishing the fundamental equation that governs the non-equilibrium evolution and the response behavior of an individual dislocation. Furthermore, using the theory developed, the transformation behavior of the mutil-fold structure of the 1/2<111> screw dislocation will be revealed explicitly for the materials Fe, Ta, Mo, W etc., and the mechanism of plasticity of the BCC crystal will be clarified microscopically.

支配体心立方晶体塑性行为的位错是1/2<111>螺旋位错。这个螺旋位错的基态结构与刃位错大不相同，它呈非平面多叶形状。螺旋位错多叶结构在外场作用下的演化和转变是位错理论研究中长期悬而未决的一个重要问题。本项目研究如何推广位错基态平衡结构的Peierls理论，使之适用于位错非对称、非平衡结构，使之成为可以用来确定位错结构演化的普遍位错理论；研究建立支配位错结构非平衡演化和位错响应行为的基本方程，应用基本方程研究外应力场作用下铁、钽、钼、钨等体心立方金属中螺旋位错多叶结构的演化和转变，建立螺旋位错响应模型、探索螺旋位错非平衡结构的演化规律，澄清体心立方金属塑性行为的微观物理机理。

体心立方晶体中<111>螺旋位错的结构呈非平面多叶形状。与平面结构位错相比，多叶结构位错难以在外加应力的驱动下运动，导致材料的Peierls应力显著变大。实验和数值模拟发现多叶结构位错的复杂结构使得位错对外加应力的响应行为完全不同于平面结构位错，不再满足Schmid定律。如何在理论上澄清多叶结构位错的平衡结构、非平衡演化以及响应行为，成为多叶结构位错研究的一个关键问题，也是体心立方晶体材料塑性微观理论的亟待解决的问题。通过本项目的研究，我们取得了以下结果：.1. 建立了位错全离散模型，基于谱分析和对称性原理的全离散位错模型可以统一地研究位错的平衡结构、非平衡演化以及响应行为，是位错结构理论的一个重要进展。 .2. 提出了位错离散结构支叶概念，发现了不同支叶之间的连接规则，并且利用已知的位错平面结构结果验证了支叶概念和连接规则的正确性。在此基础上建立了螺旋位错非平面离散结构理论。 .3. 详细研究了钽中螺旋位错的平衡结构和响应行为，发现离散性使得通常讨论的6-叶结构分裂为具有不同位错芯和不同能量的两种结构。在均匀纯切应力场作用下，6-叶位错的结构逐渐随着应力场的变大向平面结构转变。对于金属钽，临界转变应力为切变模量的0.045倍，这个值大约是文献中通过数值模拟所得值的2倍。.4. 与刃位错总是做直线运动不同，没有固定滑移面的螺旋位错沿着能垒低的最小能量路径移动。本项目研究基于二维能量图景概念建立了螺旋位错动力学理论，使用由离散模型结果定出的最小能量面（带头项近似），成功地应用位错动力学理论解释了螺旋位错的响应行为，自然地说明了Schmid定律不再成立的物理根源，为揭示了体心立方过渡金属塑性行为的微观物理机理和建立塑性微观理论奠定了基础。.5. 其他：导出了任意厚度薄膜平衡的严格解，建立了异质结的界面结构和失配位错问题的自洽理论，发现了Peierls应力振荡。