塑性差严重限制了镁合金的工业应用，而金字塔型位错是提高镁合金塑性的重要变形方式。本文采用离散位错动力学(DDD)模拟方法研究了沿c轴压缩的镁单晶的力学行为和位错演化。特别提出了金字塔<c+a>位错的基面跃迁算法和交滑移算法，并将其引入到DDD方法中。作为最轻的结构金属，镁及镁合金在汽车、飞机和电子设备上有着重要的应用。然而，由于变形方式的影响，镁合金的塑性差，严重限制了镁合金的工程应用。在镁晶体中，存在三种滑移系，即基型<a>位错、棱柱型<a>位错和金字塔型<c+a>位错。其中只有前两种位错在室温下可以被激活，并在基面内提供4种独立的滑移模式。根据von Mises准则，要获得良好的延性，需要五种独立的滑移模式，因此沿c轴的非基本滑移模式受到越来越多的关注。金字塔型<c+a>位错被认为是一种很有前途的非基形变方式，在改善塑性方面起着重要作用。然而，由于高的Peierls应力和高的位错能，该位错很难被激活，因此，研究金字塔型位错的行为对调节镁合金的塑性具有重要意义。![]()
Fig. 1. c轴压缩下的初始位错配置。
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Fig. 2. (a)有无基面转变的模拟的应力-应变曲线和（b，c）位错密度。初始位错密度为ρsrc = 1 x 1013m -2。温度为300 K。
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Fig. 3. 模拟（a）具有基本转变和（b）不具有基本转变时的应变为0.7%的位错配置。
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Fig. 4. 沿x轴观察到的位错配置。
该研究首先进行了有基面转变和没有基面转变两种情况的模拟。这里长度为Lsrc=1.3μm(4000b)的F-R位错源均匀分布在基面(<a>)、Py-I(<c+a>)和Py-II(<c+a>)面上。模拟单元大小为Le=1.3μm(4000b)。实验温度选择在T=300K，模拟室温实验。图2(a)显示了当前DDD模拟的应变-应变曲线，以及Ando等人的实验曲线。可以看到，在T=300K， DDD模拟与实验吻合得很好，在实验中看到了强烈的应变硬化。然而，对于没有基本转变的模拟来说，应变硬化可以忽略不计。这表明<c+a>位错的基本相变行为是镁单晶在c轴压缩下应变硬化的重要机制。从图3可以看出，启用基态跃迁的总位错密度明显高于未启用基态跃迁的模拟。此外，在启用基态跃迁的模拟中，基态<c+a>位错(红位错)大量存在。位错密度在图2(b，c)中显示为应变的函数，其中显示了所有位错的密度，包括Py-I<c+a>位错、Py-II<c+a>位错、Ba-I<c+a>位错和Ba-II<c+a>位错(从Py-I面和Py-II面过渡的基面<c+a>位错)。如图2(b)所示，当禁用基态转变时，Py-II<c+a>位错密度显著增加，而Py-I<c+a>位错密度略有增加。如图2(b)和图3所示，当启用基态转变时，总的位错密度高于没有基态转变时的位错密度。Py-II<c+a>位错密度显著增加，而Py-I<c+a>位错密度略有增加甚至减少。此外，Py-II<c+a>位错密度和Py-I<c+a>位错密度均低于无基态转变位错密度。这表明基面<c+a>位错密度较高。BaI<c+a>位错和BaII<c+a>位错密度如图2(c)所示。可以看出，BaI<c+a>位错的密度远低于BaII<c+a>位错的密度，表明基态转变事件主要发生在Py-II位错上，而不是Py-I位错上。同时，一个长的Py-I位错在Py-I面、Py-II面和基面上被分成较短的段，导致自由Py-I位错的长度减小。众所周知，自由位错或位错源的临界分辨剪应力与长度成反比(Orowan公式)。因此，Py-I位错变得不能移动，除非在更高的应变下施加更高的应力。相反，Py-II刃位错直接过渡到基面上，而螺位错仍然自由滑动，导致大量的Ba-II<c+a>位错。![]()
Fig. 5. (a-d)长基面<c+a>位错上位错台阶的形成过程。(e)<c+a>位错的实验观察（Wu等人，2018），经出版商许可转载。
为了分析位错的演化，沿x轴观察到的位错组态如图4所示。图5(a-d)详细解释了位错台阶的形成过程，其中上图为示意图，下图为DDD组态。在这项研究中，学者对沿c轴压缩的镁晶体的力学性质和位错演变进行了3D-DDD模拟。发现，基面转变是镁晶体c轴压缩实验中观察到的强应变硬化的重要机制。由于基本转变事件是热激活的，因此温度升高会导致高硬化率。此外，还发现基面转变行为是实验中观察到的错位环和错位台阶形成的重要原因。相关研究成果以“Mechanism of strain hardening of magnesium single-crystals: Discrete
dislocation dynamics simulations”为题发表在Journal of the Mechanics and Physics of Solids（Volume: 173，2023，105238）上，论文第一作者为Mao
Li，通讯作者为Haidong Fan。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105238
