在工程与自然系统中， 我们常常观察到应变并非均匀分布， 而是集中在狭窄区域内形成“带状结构”（Deformation Banding）。 无论是在金属晶体、金属玻璃、颗粒介质， 还是地壳断层中， 这种变形带无处不在。

早在1900年， Ewing 就首次观测到了金属晶体中的剪切带结构 (Slip Band)。 到了20世纪40年代， Heidenreich、Shockley 和 Brown 借助电子显微镜进一步揭示了这些带状结构的精细特征。 随后， 研究者们开始深入探讨：为什么材料在塑性变形时会出现应变局域？

1950年， Frank 和 Read 提出了一个革命性的模型：位错可在材料内部某个源头大量产生并迅速扩展， 从而形成滑移带。 这一模型成为剪切理论的基石，至今在材料学界广为流传。

近日， 来自美国加州大学尔湾分校（UC Irvine）的研究人员针对滑移带形成提出了新的视角，揭示了两种截然不同的滑移带演化机制。 相关论文以“Divergent evolution of slip banding in CrCoNi Alloys”为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。 UCI的Penghui Cao教授为该论文的通讯作者，UCI的谢碧君博士和陈航漫博士研究生为该论文的共同第一作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58480-4

研究团队通过原位力学压缩、微米级到原子级的多尺度表征和大规模分子动力学模拟，发现了两种不同的滑移带演化并揭示了其位错动力学机制：

受限滑移带（Confined slip band, C-SB）：C-SB 的形成主要受全位错（full dislocation）滑移机制控制，符合经典的 Frank–Read 位错模型。位错从固定的 Frank–Read 位错源持续重复发射，生成一系列位错环，并在滑移过程中逐步累积，最终形成局域化的滑移带。在主滑移面上，这类滑移带内部几乎不含明显缺陷，展现出较高的结构完整性。

扩展滑移带（Extended slip band，E-SB）：E-SB 的形成机制打破了传统 Frank–Read 模型的适用范围。其演化过程由部分位错（partial dislocation）滑移引发，进而导致原有的 Frank–Read 位错源失效。当分位错滑移后，会在其扫过的区域留下层错结构，从而“钉住”位错源使其无法继续发射新位错。新的位错源随后在主滑移面与次滑移面交界的处动态形成，使得位错可在多个平行平面间连续滑移，最终促成滑移带的逐步增厚和扩展。

图1 变形态CrCoNi合金中的受限滑移带及其微观和原子尺度组织结构

图2 变形态CrCoNi合金中的扩展滑移带及其微观和原子尺度组织结构

图3 受限滑移带和扩展滑移带变形过程中局部塑性应变及微观组织演化

图4 受限滑移带形成的位错动力学机制

图5 扩展滑移带形成的位错动力学机制

本文来自公众号“材料科学与工程”，感谢论文作者团队支持。