厉害：铝合金拉伸试验，拉出一篇《Science》子刊！

合金材料的拉伸试验中，将会出现伴随应力锯齿形跌落的雪崩式剪切变形带。这种现象叫做波特文-勒夏特利埃效应。英文为Portevin-Le Chatelier，简称PLC效应，这属于一种群集性现象，其本质源于材料微细观结构演变过程中的动态应变时效现象，即可动位错与林位错、溶质原子之间动态的交互作用。在PLC效应中，金属合金的塑性变形分布在不同类型的带中，包括传播带或“A”型带，通常以它们的宽度和典型的传播速度为特征。这种塑性不稳定性是由位错与可移动溶质原子相互作用的集体动力学引起的，但是对应变率的敏感性缺乏基本的理解。

近日，来自芬兰埃斯波阿尔托大学的Tero Mäkinen等研究者证明了，在铝合金的拉伸变形实验中通过使用高分辨率成像，带速度显示较大波动。相关论文以题为“Propagating bands of plastic deformation in a metal alloy as critical avalanches”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc7350

材料变形的复杂性是工程中的重要问题，涉及到基本的非平衡物理。当试样受到超过线性、弹性响应的载荷时，就会遇到这种现象。然后，金属的屈服和破坏前的塑性变形在不同的时间和空间尺度上表现出非常复杂的性质。这带来的挑战从塑性变形雪崩到有限样本屈服应力的统计波动到变形定位。

局部化的一个典型表现是剪切带的出现，本文研究者分析了PLC效应。当载荷超过屈服点时，PLC效应意味着试样中会产生变形带(图1)：这些变形带会成核，可能会传播，也可能不会传播，这取决于存在的PLC不稳定性的等级（在常用分类中，类型A表示传播波段，类型B和C表示非传播波段）。变形带伴有材料的不稳定性：拉伸试验时，应力下降，形成锯齿状的应力-应变曲线(图1B)。这种应变率敏感性是以应变率相关的现象出现的；此外，它的性质和存在取决于温度。PLC效应是由动态应变时效(DSA)引起的，其关键物理是作为塑性变形基本载体的位错与合金中溶质原子的相互作用。在介观层面上，已经提出了增加复杂性的理论，以解释必要的位错物理:基本的不动和“老化”的位错，溶质束缚位错，以及产生塑性变形的动位错。这样的模型和大量的实验最近被引入来探索PLC效应的物理:在带形成核中的相位和动力学，包括应力-应变曲线的锯齿，从效应的声发射，等等。

图1 散斑图像变形带的特征。

研究者采用了一种完全不同的粗粒化方法，即把条带简化为零维的“粒子”。通过使用高分辨率对铝合金的拉伸变形实验成像，显示带速度显示较大波动。每个带产生一个速度信号，使人联想到在许多驱动雪崩系统中观察到的裂纹噪声爆发，从断裂中的裂纹传播到铁磁中的巴克豪森效应。这些速度爆发的统计特征包括它们的平均形状和大小分布服从一个简单的临界雪崩动力学平均场模型的预测。因此，该结果揭示了一个先前未知范式的临界性局部变形。

图2 平均速度。

图3 固定持续时间的平均带速度剖面。

图4 雪崩大小的统计。

图5 实验设置。

综上所述，研究者结果表明，相互作用，移动的位错造成了金属合金的变形雪崩。这里，必要的条件是特定窗口内的温度和应变率值，这样就可以观察到传播或A型PLC带。鉴于此，雪崩遵循平均场类似ABBM模型的模式。（文：水生）