機械結構與制造它們的材料一樣是可靠的。幾十年來，研究人員一直在研究這些材料的結構，以了解它們為何以及如何失效。在災難性的破壞之前，會有單個的裂紋或位錯形成，這是結構可能被削弱的信號。雖然研究人員過去曾對個別位錯進行過研究，但伊利諾伊大學厄本那-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）、田納西大學（University of Tennessee）和橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的一個研究小組，已經使人們能夠了解位錯是如何在納米尺度上組織和反應的。

    來自材料科學與工程教授以及伊利諾伊州Frederick Seitz材料研究實驗室的附屬機構的主要作者Jian-Mu Zuo，Ivan Racheff 說：“金屬由多晶體制成，晶體的原子排列有序。當在這些金屬中施加力時，晶體會滑動并相互移動。像橋梁這樣的結構可能會有很多位錯，可能會移動，但運動量很小。由于數千或數萬個位錯在金屬內纏結，并產生局部應力。這種組織可能導致突然變形，如雪崩。這非常引人注目，更難以控制。”

    該團隊還包括伊利諾伊州濃縮物質學家Karin Dahmen，他在通信物理學（“緩慢壓縮的高熵合金納米柱中的位錯雪崩機制”）中公布了其結果。實驗工作由楊虎博士完成，作為博士論文的一部分。

這是高熵納米柱中的位錯雪崩。聚焦離子束用于制造納米柱（左）用于壓縮測試。透射電子顯微鏡用于在位錯雪崩期間對位錯堆積進行成像（參見右側的D）（圖片來源：Frederick Seitz材料研究實驗室）

    在這項研究之前，研究人員無法理解結構內位錯雪崩背后的機制。然而，伊利諾伊州的研究小組發現，一系列的脫臼堆積形成一個大壩以阻止運動。大壩后面是混亂的混亂。一旦有足夠的壓力，就會形成雪崩，導致大壩讓位并且纏結的位錯突然移動，這會削弱金屬并最終導致災難性的失敗。通過更好地了解這一過程，本研究有望在未來幫助開發更強大的材料，并更好地預測何時結構可能處于危險之中。

    為了研究像10-9米寬的串狀位錯，他們在高熵合金（HEA）的壓縮納米線中進行了位錯雪崩的發展。HEA具有與銅或金相同的平均結構。但是，原子排列的方式使研究人員能夠同時進行測量，并將位錯運動與機械響應聯系起來，準確地確定雪崩發生的位置。通過識別位錯帶，研究人員能夠觀察雪崩之前、期間和之后發生的情況。

    Zuo 說：“人們已經理解了個別的錯位是如何發生的，但直到現在他們還沒有理解他們突然一起移動的方式。 我們的創新是使用一種新材料（HEA）來研究一個非常古老的問題并開發這種技術。”因為位錯通常以微米的距離構成自己（想想之后的一塊冰裂縫網絡）在它上面行走時，通過在顯微鏡內觀察它們很難確定單個事件，該顯微鏡僅適用于薄樣品（在透射電子顯微鏡內，樣品厚度通常小于1微米）。

    Zuo解釋道：“在傳統的金屬中，位錯與我們一次看到的相距太遠，因此它們在表面上消失了。此外，變形金屬有一連串的位錯，但只有少數實際上是活躍的。”因此，一些學者評論說，當人們看到金屬中的變形后，就像訪問一個錯位的墓地。“

    為了見證完整的單一雪崩，Zuo和他的團隊需要找到一種材料，其中位錯以更小的尺度相互作用。 HEA是一種新型合金，由五種不同的金屬元素（Al0.1CoCrFeNi）組成。因為每個金屬原子具有不同的尺寸并且晶體是扭曲的，所以它減慢了位錯，使得可以在相對小的體積內存儲許多位錯和雪崩。

    伊利諾伊州的研究人員能夠通過一種稱為納米壓痕的技術來測量位錯。他們采用一塊HEA并使用離子束制造納米柱，并使用納米壓痕儀的小扁平金剛石尖端將力施加到納米柱上。

    ”這種材料使我們能夠看到納米尺度（500納米）的位錯，“左說，解釋這個過程。 ”我們有一個機械實驗室對電子顯微鏡內的測試樣品施加力。當施加應力時，樣品變形。當應力超過位錯移動納米柱內所需的應力時，位錯將成倍增加。脫位移動并遇到阻力，它們減速并纏結在一起形成一個錯位帶。如果你想到像水流一樣的壓力，那么錯位雪崩就像一個水壩破裂，水突然耗盡。便可對HEA進行觀察。

    該過程的結果是兩次測量 - 首先是機械測量，它允許研究人員研究移位所需的力以及移動的程度，其次是電子成像以捕獲視頻中的位錯運動。以前沒有研究能夠將電子成像和機械力測量結合起來研究位錯雪崩。

    Zou解釋說這項研究為錯位如何相互作用提供了一個關鍵的答案。“這種類型的測量可用于開發理論和計算模型，用于預測材料在特定壓力下的行為。這很重要，因為災難性的失敗始于這種突然變形，在發生災難性失敗之前，我們將能夠更好地預測行動。這反過來又會導致更強大的材料的發展。

    這項研究恰逢整個伊利諾伊州校園努力將HEA用于核反應堆和高溫應用。HEA在高溫下穩定，可以承受很大的壓力，如果我們了解位錯結構，它將有助于為非常具有挑戰性的應用開發材料。

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責任編輯：殷鵬飛

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