近期，吉林大学材料科学与工程学院、未来科学国际合作联合实验室先进金属材料团队在Acta Materialia上发表题为“A Lie-algebra-based description of disclination densities and the quantification of partial disclinations in deformed polycrystalline metals”的研究工作，该研究通过引入一种基于李代数的方法，用于从背散射电子衍射（EBSD）数据中量化不全向错。通过准原位EBSD表征，确定了变形多晶Mg合金中存在的三种主要向错形成机制。该工作不仅提出了一个研究塑性变形过程中多种晶体缺陷相互作用的一般框架，还为研究多晶金属和合金的力学性能提供了新的见解。
晶体缺陷，如位错、向错和晶界，是晶体中广泛存在的晶格缺陷，对金属材料的物理性质起着重要作用。作为应变载体，位错移动对金属的塑性变形有直接的贡献。在外部载荷作用下，位错的增殖和积累可导致所谓的应变硬化效应，从而增强金属和合金的强度。然而，尽管文献中对位错活动进行了广泛研究，但向错对金属力学性质的影响并没有得到充分认识。基于拓扑缺陷理论，位错和向错环是晶体中两种基本类型的拓扑缺陷。位错与晶体的平移对称性相关，而向错与晶体的旋转对称性相关（图一）。
图一：四种拓扑缺陷的晶格结构：（a）正90o楔型向错；（b）负90o楔型向错；（c）Shockley不全位错；（d）不全楔型向错
尽管向错和Frank矢量（向错的特征矢量）的概念已被用于理解金属中许多物理现象，但对于在有限变形和大旋转条件下位错和向错的共同演变和拓扑反应，尚缺乏统一的理论描述。为了解决这个问题，本文通过引入李代数框架，准确描述了向错的旋转性质。基于旋转矢量的导数运算规则，向错理论被精确的描述，从而实现了从EBSD数据中定量确定向错密度分布的新方法（图二）。
图二：ZX10合金拉伸过程中准原位EBSD表征及其位错、向错密度测量
通过分析准原位EBSD表征结果，我们系统地研究了多晶Mg合金在拉伸变形过程中向错和位错的演变。提出了三种向错的主要形成机制，即位错-晶界相互作用、位错重新分布和孪晶-孪晶反应，所有这些都可以看作是不同类型缺陷之间的拓扑反应。通过建立一种基于李代数的方法来量化向错，可以在一个广义框架下很好地理解位错和向错之间的相互作用，这也为研究多种晶体缺陷的共同演变以及金属和合金的机械性质提供了新的途径。
相关的研究成果近期发表在Acta Mater.上，文章第一作者为吉林大学博士生杜春风，通讯作者为吉林大学高一鹏教授和王慧远教授。该工作得到了国家自然科学基金项目、吉林大学学科交叉融合创新等基金的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119176
