Generalized stacking fault energy surfaces and dislocation properties of aluminum
本文采用半离散变分广义Peierls-Nabarro模型研究了铝的位错核性质。采用第一性原理密度泛函理论赝势方法和嵌入原子方法计算了进入模型的广义层错能面。研究了不同位错的芯部性质，包括芯部宽度、劈裂行为、能量学和Peierls应力。探讨了位错特征与原子核能量的关系。我们的结果揭示了Peierls应力与芯宽和原子间距之间的比率之间的简单关系。核心属性的两种方法计算的总能量（DFT与EAM）的依赖性进行了检查。EAM可以给出各种位错性质的总体趋势，但无法预测更精细的核心结构，这反过来又会显著影响Peierls应力（约一个数量级）。
1999-03-31 cond-mat.mtrl-sci
Electronic-structure study of an edge dislocation in Aluminum and the role of macroscopic deformations on its energetics
本文采用实空间无轨道密度泛函理论和有限元方法研究了铝中刃型位错的缺陷核和能量学。我们的研究表明，一个完美的刃型位错的核心尺寸约为10倍的伯格斯矢量的大小。这一发现是相反的，被广泛接受的概念，连续描述的位错能量是准确的超过1-3伯格斯矢量从位错线。与以前的电子结构研究相一致，我们发现，完美的刃型位错解离成两个肖克莱偏距为12.8 $Å$的部分。有趣的是，我们的研究揭示了显着的影响，宏观变形的核心能量的Shockley偏分。我们表明，这种依赖的核心能量对宏观变形的结果在位错上的额外的力，超出Peach-Koehler力，这是成比例的应变梯度。此外，我们证明，这种力的核心效应可以是显着的，可以发挥重要的作用，在管理的位错行为的区域不均匀的变形。
2014-12-23 cond-mat.mtrl-sci
Overdriven dislocation-precipitate interactions at elevated temperatures in aluminum
二维位错动力学方法最近已被用于分析金属和合金在高温下的塑性形变。然而，二维的方法，只占位错攀移过程，它假设位错绕过和剪切的沉淀物是可以忽略不计的。为了检验这一假设的有效性，本研究量化的位错绕过和剪切的沉淀物的临界解析剪切应力，相互作用时间，和热激活能为各种沉淀物的强度水平，温度和沉淀物间距。这项研究使用了修改后的位错动力学的方法，占剪切和非剪切沉淀。模拟集中在过驱动位错动力学制度，其中的攀登过程是有限的位错和沉淀物之间的快速相互作用。结果表明，即使在较高的温度下，位错克服沉淀物阵列所需的解析剪切应力水平降低，位错和沉淀物之间的相互作用时间增加。此外，热激活能与沉淀势垒的最大比值仅为0.15。
2018-01-25 cond-mat.mtrl-sci
Orbital-free DFT study of the energetics of vacancy clustering and prismatic dislocation loop nucleation in aluminum
本文采用大规模无轨道密度泛函方法，从电子结构的角度研究了铝中空位团簇的能量学。在这项研究中考虑的模拟域是一样大的那些包含一百万个原子，以准确地占电子结构和远程弹性场。我们的研究结果表明，空位团簇是一个积极有利的机制与正结合能的范围内的空位团簇在本研究中考虑。特别地，位于$\{111\}$平面中的$19$空位六方簇具有非常大的结合能，其具有代表棱柱位错环的弛豫原子结构。这表明，由19个空位形成的那些小的空位棱柱环是稳定的，从而提供了对铝中这些缺陷的成核尺寸的见解。
2015-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Extensive 3D Mapping of Dislocation Structures in Bulk Aluminum
热机械加工（如退火）是定制材料机械性能的主要方法之一，然而，对于宏观晶体内部深处引起这些变化的位错结构的重组还有很多未知之处。在这里，我们展示了高温退火后，在一个毫米大小的铝单晶位错结构的自组织。我们映射一个大的嵌入式三维体积（$100\times300\times300$ $μ$ m $^3$）的位错结构，使用暗场X射线显微镜（DFXM），基于衍射的成像技术。在宽视场范围内，DFXM的高角分辨率使我们能够识别亚晶粒，由位错边界分离，我们使用计算机视觉方法识别和表征到单位错水平。我们展示了即使在高温下经过长时间退火后，剩余的低密度位错仍然可以填充到位于特定晶面上的定义明确的直位错边界（DBs）中。在传统的晶粒生长模型相比，我们的研究结果表明，二面角在三重结不是预测的120 $\degree$，这表明在边界稳定机制的额外的复杂性。绘制这些边界周围的局部取向差和晶格应变表明，观察到的应变是剪切的，在$\approx 0.003-0.006 \degree{}$的DB周围产生平均取向差
2022-08-30 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure study of screw dislocation core energetics in Aluminum and core energetics informed forces in a dislocation aggregate
本文采用实空间无轨道密度泛函理论研究了铝中孤立螺型位错的核心能量和核心结构。使用一个直接的能量为基础的方法，我们估计的核心尺寸的一个完美的螺旋位错$\approx$ 7 $|{\bf b}|$，这是相当大的比以前的估计$1-3~|{\bf b}|$的位移场的基础上。结构弛豫后的完美螺旋分解成两个Shockley分波，从螺旋和边缘分量微分位移图测量的分波分离距离分别为8.2 π ~和6.6 π ~。与以前刃型位错的电子结构研究相似，我们发现弛豫螺型位错的核心能量强烈依赖于宏观形变。接下来，我们使用刃型和螺型位错的核心能量数据与物理上合理的假设，开发一个连续体能量模型的位错聚集。此外，我们使用这个模型在一个离散的位错网络，并从网络的节点位置的核心能量的变化，我们得到的节点核心力，可以直接纳入离散位错动力学框架。根据节点核心力的衰减特性，我们将节点核心力分为三种不同的贡献。其中两个贡献的核心力，都产生于核心能量依赖于宏观变形，不占目前使用的离散位错动力学模型，假设核心能量是一个常数。使用涉及简单的位错结构的情况下，我们表明，从核心能量依赖于宏观变形的核心力的贡献可以是显着的弹性Peach-Koehler力相比，甚至高达位错结构之间的距离$10-15$ nm。
2017-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Monitoring Gallium-Induced Damage in Aluminum Alloys Using Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy
Institute of Thermomechanics, Czech Academy of Sciences（捷克科学院热力学研究所）；Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学核科学与物理工程学院）；DISAT, Condensed Matter Physics and Complex Systems Institute, Politecnico di Torino（都灵理工大学生化与物理技术系凝聚态物理与复杂系统研究所）
本文通过非线性共振超声谱监测镓渗透引起的液态金属脆化，利用奇异值分解分析材料退化指标，揭示了镓在晶界和晶粒内部扩散过程中的不同相态及非线性特性与动态性质的关联。
2026-04-15 cond-mat.mtrl-sci
Features of ultrasound absorption by dislocations in subgrain-free cd\boldmath$_{0.2} $hg$_{0.8}$te crystals
本文首次在频率10- 55 MHz，温度150- 300 K范围内，实验研究了无小角晶界的$p$-Cd $_{0.2}$ Hg $_{0.8}$ Te晶体的超声波吸收随温度的变化关系，并给出了相应的测量结果。吸收系数的最大值被发现增加，并向更高的温度移动，作为超声频率的增长。所得到的结果可以令人满意地解释的Brailsford模型的框架内，其中关联的超声吸收与热激活位错扭结的振动。确定了$p$ -$_{0.2}$-$_{0.8}$ Te模型的特征参数，即频率系数$f_{k}\approx $ ~6，$\times $ ~ 10，$^{\,9}$ ~ 6，Hz和扭折扩散激活能$W_{k}\approx $ ~ 0. 11，eV.还计算了位错浓度（$α\approx $ ~2\，$\times$\，10 $^{10}$ \，m $^{-2}$），测定值与选择腐蚀法测定值（0.7\，$\times $\，10 $^{10}$ \，m $^{-2}$）一致。
2014-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Slip energy barriers in aluminum and implications for ductile versus brittle behavior
在裂纹尖端位错发射的Peierls模型分析的框架内，我们考虑了铝的脆性与韧性行为。为此，我们进行第一性原理量子力学计算的不稳定的堆垛能$γ_{us}$的铝沿肖克利部分滑移路线。我们的计算是基于密度泛函理论和局域密度近似，包括全原子和体积弛豫。我们发现，在铝$γ_{us} = 0.224$ J/m $^2$。在Peierls模型分析中，该值将预测脆性固体，这引起了一个有趣的问题，因为铝通常被认为是韧性的。解析度可由以下三种可能性之一给出：（a）铝在零温度下确实是脆性的，而在有限温度下由于预先存在的位错的运动而变得延性，位错的运动使裂纹尖端的应力集中松弛。(b)裂纹尖端的位错发射本身就是一个热激活过程。(c)铝实际上在所有温度下都是可延展的，为了解决明显的矛盾，所采用的理论模型需要显着改进。
1996-04-26 cond-mat.mtrl-sci mtrl-th
Nonlinear dislocation dynamics and crystal sonoluminescence
研究了离子半导体的声致发光。主要关注的是阈值现象，伴随着光照射，即-点缺陷的创建和非线性超声波衰减。该模型描述的过程中的调查，连接声致发光的激发与点缺陷（空位和微晶）的产生，通过在超声作用下移动螺旋位错与慢跑的开始。试图估计晶体的参数定义的慢跑运动在其晶体浮雕。
1997-07-03 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of acoustic emission during the melting of embedded indium particles in an aluminum matrix: a study of plastic strain accommodation during phase transformation
声发射在这里被用来研究熔化和固化的嵌入式铟颗粒的尺寸范围为0.2至3 μ m的直径，并显示，位错产生发生在铝基体中，以适应2.5%的体积变化。铟颗粒熔化产生的体积平均声能类似于连续冷却时贝氏体形成的报道。为了适应体积变化，提出了棱柱环的产生机制，并计算出Al-17 In合金位错密度几何必要增加的上限为4.1 x 10^9 cm^-2。热机械处理也用于改变铟颗粒在铝基质内的尺寸和分布。当熔化的铟颗粒与晶界相关联时或在固化时发生伴随声发射的位错产生，其中固-液界面充当自由表面以促进位错产生。对于需要过热并表现出升高的熔化温度的铟颗粒，没有观察到声发射。声发射工作证实了先前提出的松弛机制，从以前的内部摩擦的研究，并观察到这些微米级的颗粒熔化的crack是矩阵约束的结果。
2012-09-11 cond-mat.mtrl-sci
In situ monitoring of plastic deformation using ultrasound
超声波作为一种非破坏性的工具，长期以来一直被用来测试材料的脆性断裂。它是否可以用作类似的工具来测试延性破坏？本研究报告的剪切波的速度，$v_T$，在铝在标准测试条件下在两个不同的位置上相同的样品，作为应力的函数的本地测量结果。在屈服应力下，$v_T$有明显变化，与位错增殖一致。这种测量提供了位错密度和外加应力之间的定量、连续关系。
2015-08-10 cond-mat.mtrl-sci
Precipitate-Induced Dynamic Strain Aging and Its Effect on the Strain Rate Sensitivity of Precipitation Hardened Aluminum Alloys
Cornell University（康奈尔大学）；University of Canterbury（坎特伯雷大学）
通过原子模拟、动能蒙特卡洛和分析速率理论研究析出诱导动态应变时效，揭示析出强化铝合金中低应变率敏感性的机理。
2026-04-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
On the temperature and density dependence of dislocation drag from phonon wind
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
本文研究了声子风对位错阻力的温度和密度依赖性，通过计算铝和铜的位错阻力系数，探讨了弹性常数变化对阻力系数的影响。
2026-01-15 cond-mat.mtrl-sci
Numerical Investigation of Mechanical Properties of Aluminum-Copper Alloys at Nanoscale
纳米压痕是一种强大的工具，能够提供在纳米尺度上的材料弹性和塑性响应的基本见解。纳米尺度的合金特别有趣，因为原子研究揭示的局部异质性和变形机制为理解硬化机制提供了更好的方法，以构建更坚固的材料。本文采用原子模拟的方法研究了Al-Cu合金中的纳米压痕，通过位错驱动机制研究了加载方向、Cu合金化比例对压痕的影响。此外，一个低保真度的有限元（FE）模型已被开发用于纳米压痕模拟，其中纳米级材料的属性是从原子模拟。材料性能，如硬度和折合模量，计算从FE和MD模拟，然后比较。考虑到这两种数值方法之间的根本差异，从本研究中得到的有限元结果符合相当从MD模拟。这为在不需要高保真度结果的情况下使用FE以减少的模拟时间和成本找到合金的材料特性铺平了道路。计算结果包括载荷-位移分析、位错密度、位错环形核与扩展、应力分布和表面压痕。本文所采用的将原子数据纳入有限元模拟的技术可以进一步扩展，以寻找其他复杂合金材料的力学和断裂性能。
2020-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Thermal softening during high-temperature torsional deformation of aluminum bars
本文将热力学位错理论简单地推广到非均匀塑性形变中，用于分析铝杆的高温扭转。采用一个小的基于物理的参数，我们预计是近似独立的应变率和温度，我们能够适合实验扭矩扭转曲线为五个不同的扭曲率和在一个固定的环境温度。我们发现，由于温度上升的热软化是显着的高捻率。
2018-11-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Shock responses of nanoporous aluminum by molecular dynamics simulations
采用非平衡分子动力学模拟对纳米多孔铝的冲击响应进行了系统的研究。位错形核位置主要集中在空洞表面赤道附近的低纬区域。我们提出了一个连续波反射理论和一个分解的剪切应力模型来解释位错形核位置的分布。模拟揭示了两种机制的空洞崩溃：塑性机制和内部喷射机制。在相对较弱的冲击下，导致空洞横向坍塌的塑性机制占主导地位;而随着冲击强度的增加，导致空洞真空纵向填充的内部喷射机制起着更重要的作用。此外，异常热力学现象（即，温度随压力下降而升高）。这一现象与传统的朗肯-雨果尼奥理论不相容，可以用空穴坍缩的非平衡过程来解释。研究了空泡塌陷对纳米铝层裂断裂的影响。在相同加载速度下，np-Al的层裂强度低于单晶Al，但层裂阻力高于单晶Al，这是由于冲击波在np-Al中传播时热耗散和应力衰减的综合影响所致。
2016-10-13 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Atomic-scale Nucleation and Growth Pathway of Complex Plate-like Precipitates in Aluminum Alloys
本文通过理论计算揭示铝合金中复杂板状析出相遵循层间滑移+原子重排的形核生长机制，识别出基本结构转变单元并提出与实验吻合的演化路径，为高性能铝合金设计提供理论依据。
2024-10-20 cond-mat.mtrl-sci
Dynamic Hardness Evolution in Metals from Impact Induced Gradient Dislocation Density
对金属动态行为的清晰理解对于开发优异的结构材料以及改进材料加工技术（如冷喷涂和喷丸）至关重要。利用高速（从120 m/s到700 m/s;应变速率>10^7 1/s）微弹冲击试验和准静态（应变速率：10^-2 1/s）纳米压痕，我们研究了具有（001）、（011）和（111）晶体取向的单晶铝基板的应变速率相关的力学行为。对于所有三个晶体取向，动态硬度最初随着冲击速度的增加而增加，并在硬度比准静态压痕高5倍时达到平台区。基于恢复系数和死后透射菊池衍射分析，我们表明，不同的塑性形变机制与梯度位错密度的演变支配的动态行为。我们还发现了一个独特的变形制度-稳定的塑性制度-超越了深塑性制度与独特的应变率不敏感的微观结构演变和动态硬度。我们的工作还证明了一种有效的方法，通过高速弹丸冲击在金属中引入位错密度的强空间梯度，以提高表面机械性能，因为它可以用于材料加工技术，如喷丸和表面机械研磨处理。
2023-02-21 cond-mat.mtrl-sci
Wave-Particle Duality of Ultrasound: Acoustic Softening Explained by Particle Treatment of Ultrasonic Wave
本文通过引入半导体物理概念，将超声波视为声子粒子并采用带隙理论解释声学软化效应，为固体力学中的缺陷运动提供了新理解。
2024-01-03 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph
On a dislocation density based two-phase plasticity model: refinement and extension to non-proportional loading
Estrin等人（1998）的两相复合方法描述了一种演变的位错胞结构。McKenzie等人（2007年）增强了该模型，以捕捉严重塑性形变期间流体静压力和温度的影响。本研究的目标是将该微观结构模型纳入Shutov和Kreißig（2008 a）提出的宏观粘塑性框架中。因此，两个阶段的复合材料的方法进行了仔细检查。物理和数值的缺点，揭示和可能的解决方案，从而导致一个精致的微观模型。此外，还提出了可靠参数辨识的一些改进措施。使用TEM单元尺寸测量确定铝合金的细化微观模型的材料参数。然后，扩展到非比例变形进行这样一种方式，位错密度的演变变得敏感的负载路径的变化。实验结果表明，这种变形模式可以显着影响微观结构的演变，包括溶解的细胞和总位错密度的减少后不久，负载路径的变化。为了捕捉这些影响，一些张量值的状态变量被引入耦合精细的微观模型与宏观粘塑性模型。由此得到了一个新的本构方程组。为了证明其响应载荷路径变化的能力，考虑了等通道转角挤压（ECAP）的典型载荷情况。所获得的位错种群的演变显着不同，这取决于ECAP路线的应用。
2013-03-07 cond-mat.mtrl-sci
First-principles data for solid-solution strengthening of magnesium: From geometry and chemistry to properties
固溶强化是溶质阻碍位错滑移的结果。现有的强度理论依赖于溶质-位错相互作用，但不考虑位错核心结构，这需要精确处理化学键。在这里，我们专注于镁的强化，镁是所有结构金属中最轻的，是较重的钢和铝合金的有希望的替代品。用量子力学第一性原理计算取代了通常用于预测溶质-位错相互作用能量学的弹性理论，构建了Mg溶质强化的预测性介观模型。29种不同溶质的结果显示在“强化设计图”中，作为量化体积应变和滑移效应的溶质失配的函数。我们的强化模型进行了验证与现有的实验数据，包括铝和锌，镁中最常见的两种溶质。这些新的结果突出了量子力学第一性原理计算预测复杂材料性能（如强度）的能力。
2010-07-15 cond-mat.mtrl-sci
Solute segregation in polycrystalline aluminum from hybrid Monte Carlo and molecular dynamics simulations with a unified neuroevolution potential
本研究通过GPUMD中的混合蒙特卡洛与分子动力学方法，结合神经进化势，模拟15种溶质在多晶铝中的偏析，揭示其对强度的影响及晶界内聚力和位错机制，助力合金设计。
2024-04-21 cond-mat.mtrl-sci
In-Situ Visualization of Long-Range Defect Interactions at the Edge of Melting
将块体材料的微观缺陷与其宏观性能联系起来是材料科学中的一个古老问题。众所周知，位错（线缺陷）之间的长程相互作用在材料如何变形或熔化中起着关键作用，但我们缺乏将这些动力学与宏观性质联系起来的工具。我们引入时间分辨暗场X射线显微镜，直接可视化位错如何移动和相互作用超过数百微米，深入散装铝。通过实时电影，我们揭示了包含边界的位错的热激活运动和相互作用，并显示了减弱的结合力如何在99%的熔化温度下不均匀地使结构不稳定。将微观结构的动力学与其稳定性联系起来，我们提供了指导和验证尚未经过测试的多尺度模型的重要机会。
2020-09-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
