晶格位錯(cuò)的形核和運(yùn)動(dòng)是多晶體材料的基本塑性變形機(jī)制。在傳統(tǒng)多晶金屬材料中位錯(cuò)的形核增殖和儲(chǔ)存空間很大，因此其塑性變形過(guò)程往往由晶格位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)所決定，而位錯(cuò)形核通常不是塑性變形過(guò)程的主導(dǎo)因素。阻礙晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的缺陷（如晶界或第二相顆粒等）越多，金屬材料的強(qiáng)度則越高。然而對(duì)于納米金屬材料（晶粒尺寸在納米量級(jí)），這一基本規(guī)律受到挑戰(zhàn)，即由于晶粒內(nèi)部空間減小和晶界的約束作用，使晶格位錯(cuò)的形核及運(yùn)動(dòng)在不同程度上均受到嚴(yán)重抑制，位錯(cuò)形核及運(yùn)動(dòng)在材料塑性變形過(guò)程和力學(xué)行為中的作用將呈現(xiàn)新的特征。最近，美國(guó)布朗大學(xué)高華健教授研究組、美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)魏宇杰教授與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室盧磊研究員和盧柯研究員合作，利用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)在納米孿晶金屬中的位錯(cuò)形核可主導(dǎo)材料的塑性變形過(guò)程，該成果發(fā)表于2010年4月8日出版的《自然》雜志上（Nature, 464 (2010) 877）。
2004年盧磊研究組發(fā)現(xiàn)了具有超高強(qiáng)度和導(dǎo)電性的新一類納米結(jié)構(gòu)金屬---納米孿晶金屬銅（Science, 304 (2004) 422），隨后于2009年又發(fā)現(xiàn)了納米孿晶銅中的極值強(qiáng)度和超高加工硬化效應(yīng)(Science, 323(2009)607)，這些結(jié)果表明納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料具有獨(dú)特的塑性變形機(jī)制和力學(xué)行為?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)合作研究利用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬（1.4億個(gè)原子）和位錯(cuò)形核分子動(dòng)力學(xué)理論研究了納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料的變形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孿晶片層厚度減小到臨界值時(shí)出現(xiàn)極植強(qiáng)度，此時(shí)由位錯(cuò)塞積和位錯(cuò)穿過(guò)孿晶界為主導(dǎo)的傳統(tǒng)強(qiáng)化機(jī)制（通常符合Hall-Petch關(guān)系）將轉(zhuǎn)變?yōu)橛善叫杏趯\晶界面不全位錯(cuò)的形核和運(yùn)動(dòng)（引起孿晶界遷移）而主導(dǎo)的軟化機(jī)制。該計(jì)算模擬結(jié)果成功地解釋了納米孿晶Cu樣品中的極值強(qiáng)度和臨界孿晶片層厚度的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)一步表明了該極值強(qiáng)度與晶粒尺寸的依賴關(guān)系，即晶粒尺寸越小，臨界孿晶片層尺寸也越小，從而材料的極值強(qiáng)度越高。該研究從計(jì)算模擬的角度揭示了納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬中位錯(cuò)形核源主導(dǎo)的特殊塑性變形機(jī)理，這不僅深化了人們對(duì)金屬材料力學(xué)行為及變形機(jī)理的納米尺寸效應(yīng)的理解，同時(shí)也對(duì)納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值。
圖示：大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，當(dāng)納米孿晶Cu中孿晶片層厚度為1.25 nm時(shí)，大量位錯(cuò)從晶界處形核并沿孿晶界方向運(yùn)動(dòng)，形成獨(dú)特的由位錯(cuò)形核主導(dǎo)的塑性變形過(guò)程。
