機(jī)械結(jié)構(gòu)與制造它們的材料一樣是可靠的。幾十年來(lái)，研究人員一直在研究這些材料的結(jié)構(gòu)，以了解它們?yōu)楹我约叭绾问АＴ跒?zāi)難性的破壞之前，會(huì)有單個(gè)的裂紋或位錯(cuò)形成，這是結(jié)構(gòu)可能被削弱的信號(hào)。雖然研究人員過(guò)去曾對(duì)個(gè)別位錯(cuò)進(jìn)行過(guò)研究，但伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）、田納西大學(xué)（University of Tennessee）和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的一個(gè)研究小組，已經(jīng)使人們能夠了解位錯(cuò)是如何在納米尺度上組織和反應(yīng)的。

    來(lái)自材料科學(xué)與工程教授以及伊利諾伊州Frederick Seitz材料研究實(shí)驗(yàn)室的附屬機(jī)構(gòu)的主要作者Jian-Mu Zuo，Ivan Racheff 說(shuō)：“金屬由多晶體制成，晶體的原子排列有序。當(dāng)在這些金屬中施加力時(shí)，晶體會(huì)滑動(dòng)并相互移動(dòng)。像橋梁這樣的結(jié)構(gòu)可能會(huì)有很多位錯(cuò)，可能會(huì)移動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)量很小。由于數(shù)千或數(shù)萬(wàn)個(gè)位錯(cuò)在金屬內(nèi)纏結(jié)，并產(chǎn)生局部應(yīng)力。這種組織可能導(dǎo)致突然變形，如雪崩。這非常引人注目，更難以控制。”

    該團(tuán)隊(duì)還包括伊利諾伊州濃縮物質(zhì)學(xué)家Karin Dahmen，他在通信物理學(xué)（“緩慢壓縮的高熵合金納米柱中的位錯(cuò)雪崩機(jī)制”）中公布了其結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(cuò)雪崩。聚焦離子束用于制造納米柱（左）用于壓縮測(cè)試。透射電子顯微鏡用于在位錯(cuò)雪崩期間對(duì)位錯(cuò)堆積進(jìn)行成像（參見右側(cè)的D）（圖片來(lái)源：Frederick Seitz材料研究實(shí)驗(yàn)室）

    在這項(xiàng)研究之前，研究人員無(wú)法理解結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯(cuò)雪崩背后的機(jī)制。然而，伊利諾伊州的研究小組發(fā)現(xiàn)，一系列的脫臼堆積形成一個(gè)大壩以阻止運(yùn)動(dòng)。大壩后面是混亂的混亂。一旦有足夠的壓力，就會(huì)形成雪崩，導(dǎo)致大壩讓位并且纏結(jié)的位錯(cuò)突然移動(dòng)，這會(huì)削弱金屬并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的失敗。通過(guò)更好地了解這一過(guò)程，本研究有望在未來(lái)幫助開發(fā)更強(qiáng)大的材料，并更好地預(yù)測(cè)何時(shí)結(jié)構(gòu)可能處于危險(xiǎn)之中。

    為了研究像10-9米寬的串狀位錯(cuò)，他們?cè)诟哽睾辖穑℉EA）的壓縮納米線中進(jìn)行了位錯(cuò)雪崩的發(fā)展。HEA具有與銅或金相同的平均結(jié)構(gòu)。但是，原子排列的方式使研究人員能夠同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并將位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械響應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，準(zhǔn)確地確定雪崩發(fā)生的位置。通過(guò)識(shí)別位錯(cuò)帶，研究人員能夠觀察雪崩之前、期間和之后發(fā)生的情況。

    Zuo 說(shuō)：“人們已經(jīng)理解了個(gè)別的錯(cuò)位是如何發(fā)生的，但直到現(xiàn)在他們還沒有理解他們突然一起移動(dòng)的方式。 我們的創(chuàng)新是使用一種新材料（HEA）來(lái)研究一個(gè)非常古老的問(wèn)題并開發(fā)這種技術(shù)。”因?yàn)槲诲e(cuò)通常以微米的距離構(gòu)成自己（想想之后的一塊冰裂縫網(wǎng)絡(luò)）在它上面行走時(shí)，通過(guò)在顯微鏡內(nèi)觀察它們很難確定單個(gè)事件，該顯微鏡僅適用于薄樣品（在透射電子顯微鏡內(nèi)，樣品厚度通常小于1微米）。

    Zuo解釋道：“在傳統(tǒng)的金屬中，位錯(cuò)與我們一次看到的相距太遠(yuǎn)，因此它們?cè)诒砻嫔舷Я恕４送猓冃谓饘儆幸贿B串的位錯(cuò)，但只有少數(shù)實(shí)際上是活躍的。”因此，一些學(xué)者評(píng)論說(shuō)，當(dāng)人們看到金屬中的變形后，就像訪問(wèn)一個(gè)錯(cuò)位的墓地。“

    為了見證完整的單一雪崩，Zuo和他的團(tuán)隊(duì)需要找到一種材料，其中位錯(cuò)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?yàn)槊總€(gè)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(cuò)，使得可以在相對(duì)小的體積內(nèi)存儲(chǔ)許多位錯(cuò)和雪崩。

    伊利諾伊州的研究人員能夠通過(guò)一種稱為納米壓痕的技術(shù)來(lái)測(cè)量位錯(cuò)。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(cuò)，“左說(shuō)，解釋這個(gè)過(guò)程。 ”我們有一個(gè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室對(duì)電子顯微鏡內(nèi)的測(cè)試樣品施加力。當(dāng)施加應(yīng)力時(shí)，樣品變形。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)位錯(cuò)移動(dòng)納米柱內(nèi)所需的應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)將成倍增加。脫位移動(dòng)并遇到阻力，它們減速并纏結(jié)在一起形成一個(gè)錯(cuò)位帶。如果你想到像水流一樣的壓力，那么錯(cuò)位雪崩就像一個(gè)水壩破裂，水突然耗盡。便可對(duì)HEA進(jìn)行觀察。

    該過(guò)程的結(jié)果是兩次測(cè)量 - 首先是機(jī)械測(cè)量，它允許研究人員研究移位所需的力以及移動(dòng)的程度，其次是電子成像以捕獲視頻中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。以前沒有研究能夠?qū)㈦娮映上窈蜋C(jī)械力測(cè)量結(jié)合起來(lái)研究位錯(cuò)雪崩。

    Zou解釋說(shuō)這項(xiàng)研究為錯(cuò)位如何相互作用提供了一個(gè)關(guān)鍵的答案。“這種類型的測(cè)量可用于開發(fā)理論和計(jì)算模型，用于預(yù)測(cè)材料在特定壓力下的行為。這很重要，因?yàn)闉?zāi)難性的失敗始于這種突然變形，在發(fā)生災(zāi)難性失敗之前，我們將能夠更好地預(yù)測(cè)行動(dòng)。這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)大的材料的發(fā)展。

    這項(xiàng)研究恰逢整個(gè)伊利諾伊州校園努力將HEA用于核反應(yīng)堆和高溫應(yīng)用。HEA在高溫下穩(wěn)定，可以承受很大的壓力，如果我們了解位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，它將有助于為非常具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用開發(fā)材料。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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