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位错， 微观世界的蚁群
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（好几次被这个图片格式搞的头痛，这次一定耐心做好，科学网，好好搞一搞图片功能吧，亲！）
位错（Dislocation）：晶体结构内部的线缺陷，表现为原子结构的一种几何不规则排列（图 1），是晶体材料最重要的一种变形方式。位错-如今被认为材料学划时代的发现，但其诞生时却相当尴尬，是“材料科学”急病乱投医慌乱间选择的一个逃生方向。（当时一定相当乱）。
图1 原子排列中的位错
1.位错的诞生-假理性和实践派
位错这个概念是意大利科学家Vito Volterra（图 2）在1905年首先提出，但当时这个小伙应该说是生不逢时，1905年被称为爱因斯坦奇迹年，大神那一年发表了改变物理世界的六篇文章（《关于光的产生和转化的一个试探性观点》、《分子大小的新测定方法》、《基于热分子运动论的静止液体中悬浮粒子的运动研究》、《论动体的电动力学》、《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》、《布朗运动的一些检视》）。那个时候，上帝和世界的中心都是物理。材料科学，Vito Volterra，位错这些都无足轻重。当然，越不重视越会出现问题，材料科学家令人激动的尴尬时刻就要来了。（任何老爷爷都有一段回味无穷的小孙子年代）
图2 意大利科学家Vito Volterra（大爷，我懂你！1905也是属于您的）
二十世纪初，物理学大厦已经落成，在这个潮流下，材料科学研究难免要跟上节奏，最方便快捷的方法就是利用最时髦的原子理论来解释最基础科学的材料强度问题。估计当时材料学者雄心万丈！一手理论，一手公式，一旦合璧，哎呀，材料科学的小平房也就建起来了。没想到，初试啼声，就不幸出事了。
出事时的情况是这样的，利用金属原子键力计算的金属强度是实际常用金属强度的1000倍，甚至更高！简单来说，我们用的挖耳勺按照理论强度计算是应该可以做钻头的。我们突然发现，我们设计使用的各种金属都仅发挥了其潜力的0.1%。重新计算，其实根本不用计算，公式简单到了极致。这时的材料科学家就像一群被被扒光衣服的痴汉，口中喃喃，却说不出什么。理论指导实践，那么按照你们的理论，让大家见识一下真正的金属吧。
XXXX-1930，这些年，材料科学家过的很郁闷，绞尽脑汁，理想金属怎么也找不到，公式翻来覆去也证明不出。更令他们诧异的是，将金属去纯净化（加入多种元素并不停锻造）反而强度逐渐增高。理论和实践南辕北辙，材料学家内心伤痕累累，书面语言是这么描述的：在1930年代以前，材料塑性力学行为的微观机理一直是严重困扰材料科学家的重大难题。实际情况是这样的：额滴神啊，我快要崩溃啊，咋回事么，金属，你到底要闹怎样啊！
卑鄙是卑鄙者的通行证，高尚是高尚者的墓志铭。当材料科学遇到问题的时候，当材料科学家智商被加上负号时，科学又充分展示了它的娱乐性和宽容性。既然做不出来，干脆就把水搅浑，两眼一抹黑，看你怎么办！具体是这么操作的：公式简单，我们就把它复杂化。首先，我要来个概念先！
书面语言：1934年，埃贡•欧罗万（Egon Orowan），迈克尔•波拉尼（MichaelPolanyi）和 G.I. 泰勒（G. I. Taylor）三位科学家几乎同时提出了塑性变形的位错机制理论，解决了上述理论预测与实际测试结果相矛盾的问题。位错理论认为，之所以存在上述矛盾，是因为晶体的切变在微观上并非一侧相对于另一侧的整体刚性滑移，而是通过位错的运动来实现的。一个位错从材料内部运动到了材料表面，就相当于其位错线扫过的区域整体沿着该位错伯格斯矢量方向滑移了一个单位距离（相邻两晶面间的距离）。这样，随着位错不断地从材料内部发生并运动到表面，就可以提供连续塑性形变所需的晶面间滑移了。与整体滑移所需的打断一个晶面上所有原子与相邻晶面原子的键力相比，位错滑移仅需打断位错线附近少数原子的键力，因此所需的外加剪应力将大大降低。
这一次，干的漂亮！（智力的负号被去掉了），但长期挫折下的心理阴影还在，材料学者还有点良心不安，这么做，对吗？（未来证明，这么做，是对的）。
这种良心不安，产生的原因是没有足够的实实在在的证明，当时TEM技术刚刚兴起，并没有一张真实的位错照片来证明位错理论。此后的四十年，对位错理论来说，等待审判。
审判很快有了结论，位错理论是伟大的理论！微观照片证明了一切 图 3。
图 3 金属材料内的位错（透射电镜照片）
但等待结论的时间好久，充分证明时，提出理论者早已驾鹤仙游，位错理论也始终没有得到炸药奖的肯定，但，最崎岖最黑暗的道路已经走过，光明坦途就在眼前，无边落木萧萧下，老流氓们已经百炼成钢，下面的事情就好做了。
2.位错的发展-保守主义的加速运动
有了理论，有了证明，那么后来的工作基本上就按部就班的发展。确实二十世纪后半页，材料科学的发展风风火火，尤其纳米材料概念的出现，一些研究领域，一些研究者就被逐渐封神。趋势是这样，位错理论与实践也在招摇中稳步向前。
首先，80年代，通过塑性加工工艺（还是古人锻造的老路），人们制备出性能良好的超细晶和纳米晶金属，哎呀，在材料内部除了发现大量的细化后晶粒，还有大量的位错组织，图 4。制备后，材料强度提高5-6倍，经过特殊热处理，材料韧性还能保持一定量级！
图 4 金属变形后内部的位错组织（AZ31， F.Zhao）
如果工艺路线出现后，更多的学术工作就成了一种机械运动！大量的类似论文，类似结果，相同工艺下更换不同的金属，表面上一片繁荣，其实进步有限。说话负责任，想想最初的尴尬，想象那0.1%，其实我们做的远远不够。
实验成果多多，那么前人的理论当然可以继续发扬光大。固溶强化效应，第二相增强，晶界强化（晶粒细化效应）等等，都在位错理论中找到了答案。简单说，多晶材料内部的任何结构，都会对位错运动产生阻碍，带来材料强度的提高。这句话，放在那里都可以用。所以，知识在横向被无限拉成，纵向没有提高。建立在位错理论的知识，面无限广大，可还是一个小矮子。
简简单单的说，一些概念，位错是塑性变形的载体，但塑性变形实现是位错运动。好吧，我败了。
直到现在，SPD，好多文章，好多好文章，但是，令人振奋的现象和数据背后，理论和解释是苍白的，所有的问题都可以在位错理论（准静态条件下）找到合理解释。成熟后面必然是衰落，这时必然，但如果走到最后，我们还是只能拿出一些纳米线，晶须什么的来炫耀理想金属，那么，材料科学，尤其是金属材料科学，太挫了！！
3.位错的未来-总要有人要先走
介绍一些新文章（其实也不是太新，呵呵），这些文章很多产生于分子动力学模拟，也许只有极端情况下，我们才会关注。图 5， 图 6， 图 7.现在的学术研究讲究人无我有，讲究极端，趋势就是这个血淋淋的趋势。
图5 纳米材料的反Hall-petch 关系
图6 冲击作用下，材料局部的非晶化
图 7 位错线的跳跃运动
首先，图5给出了在纳米尺度上的Hall-petch关系的失效，也就是位错理论的失效，好吧，打个补丁，晶界运动（相对滑动占支配地位）。图6 给出了冲击载荷下，材料内部出现非晶化，继续打补丁，剪切带出现。图7，位错的跳跃运动分子动力学模拟，继续补丁，运动形式变化。
补丁摞补丁，四处又补丁，其实，已经有论文在研究缺陷是带来变形？还是缺陷不是变形的来源，这时,开始出现对位错理论的质疑。
已经开始了，世纪之初（也不算很初了），位错理论已经100年了。
4.结论-一点题外话
如果注意的话，本文所有内容都有出处，有证明，所以这是基于事实的文章。反驳的话，也请给出相应的出处，我也可以查一查。本文风格调侃，但也受能力的限制，最终没有走向重口味。这里感谢几位同学，你们促成我决定写个科普。真心感谢。学术这个东西，真心不好搞。
位错在TEM下，确实类似蚁群，我们同是。 （F.Zhao 13/07/2012）
https://blog.sciencenet.cn/blog-205308-654621.html
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