通過獲取金屬材料層錯能大小，快速了解材料的基本性能。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)界對于具有高強度、高塑性、高疲勞性能的金屬材料具有重要的需求。層錯能對材料的微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能、強韌化機制以及疲勞行為等方面有著重大影響。因而，層錯能大小對高氮鋼、TWIP鋼及鎳鈷基高溫合金等工程材料的變形機制、強韌化與抗疲勞設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。 曾經(jīng)，層錯能被視為區(qū)分滑移方式的首要因素，但除層錯能外，滑移方式還受到短程有序、晶格摩擦應(yīng)力、外加載荷等內(nèi)外因素影響。因此，通過將螺位錯湮滅距離與擴展位錯寬度的比值作為因子來研究位錯組態(tài)演化。 研究表明，演化因子越高，層錯寬度變窄而湮滅距離增大，晶體材料將以典型波狀滑移方式為主，交滑移頻繁發(fā)生，進(jìn)而基于取向效應(yīng)形成越低；層錯寬度增加而湮滅距離縮小，交滑移越困難，材料以平面滑移方式為主，因此更易出現(xiàn)二維平面位錯結(jié)構(gòu)。 正是由于不同面心立方金屬具有不同的演化因子，因而其塑性變形與疲勞損傷過程中位錯演化表現(xiàn)出截然不同的規(guī)律。
中國科學(xué)院金屬研究所材料以Cu和Cu合金（Cu-Al，Cu-Zn等）模型材料研究了層錯能對微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能、強韌化機制以及疲勞行為等方面的影響規(guī)律。 研究表明在銅中加入合金元素能降低層錯能，改變位錯滑移方式，乃至引入層錯與孿晶，不但可以有效提高屈服強度，而且在很大程度上可以提高加工硬化能力與均勻延伸率 ，從而實現(xiàn)強度與塑性同步提升的效果。
這種通過降低層錯能改善加工硬化能力的原因可以歸納為： 1）增加位錯平面滑移程度，降低位錯交滑移傾向性及湮滅距離，從而實現(xiàn)更高位錯密度的存儲，增加加工硬化能力。 2）增加層錯及孿晶的萌生能力，促使塑性變形過程中層錯與變形孿晶的出現(xiàn)，將常見于鋼中的孿生誘發(fā)塑性（TWIP）機制及動態(tài)Hall-Petch效應(yīng)引入銅合金中，增加加工硬化能力。 此外，隨著層錯能降低，不但強度與塑性同步提升，而且銅合金的疲勞壽命也會同步提升 ，即隨著合金元素含量增加或?qū)渝e能降低，無論是銅鋁合金還是銅鋅合金，其高周、低周及超低周疲勞壽命均得到明顯提高。
層錯能對超細(xì)晶納米晶材料疲勞損傷機制的影響可以理解為： 1）隨著層錯能降低，位錯交滑移能力下降，從而減緩了因交滑移而導(dǎo)致的位錯湮滅。而這將阻礙由疲勞而引起的晶界遷移、晶界滑移以及晶界轉(zhuǎn)動，因而材料的組織穩(wěn)定性得到了改善，循環(huán)軟化行為也得到了減緩。 2）層錯能的降低也有利于延緩材料疲勞后表面剪切帶的演化，從而抑制了組織在變形過程中發(fā)生的應(yīng)變局部化，增加了變形均勻程度。這兩者都有利于抑制材料循環(huán)軟化，延長材料的疲勞壽命。 一般認(rèn)為，材料疲勞強度隨抗拉強度提高而同步提升。 然而，近期研究證實，對于特定成分材料，當(dāng)大范圍調(diào)整其晶粒尺寸來改變強度時，材料的疲勞強度隨抗拉強度增加先升高然后再降低，即具有高強度的納米晶金屬材料的疲勞強度不是最優(yōu)狀態(tài)。 材料強化初期，抗拉強度提高降低了循環(huán)變形過程中局部塑性屈服的概率與程度，減緩了疲勞損傷，因而提升了疲勞性能，因此表現(xiàn)出疲勞強度隨抗拉強度增加而升高；而在強化后期，因基體硬化能力過度缺失而引起基體對缺陷的敏感程度急劇增加反而增加了疲勞損傷程度，因而造成疲勞強度隨抗拉強度提高而降低。這種先升后降的規(guī)律使得材料強化對疲勞性能的貢獻(xiàn)大打折扣。 隨著材料層錯能降低，由于形變均勻性提高使疲勞損傷程度整體減弱，因而這種疲勞強度隨抗拉強度提高或晶粒尺寸減小而表現(xiàn)出的先升后降的趨勢在很大程度上被推遲。 因此，臨界晶粒尺寸（疲勞強度取得極值時的晶粒尺寸）隨層錯能降低而減小，對應(yīng)臨界抗拉強度相應(yīng)增加，最終促使疲勞強度得到大幅度提升 。
那么，有人可能要問了，既然層錯能對材料性能那么重要，如何才能快速計算出金屬材料的層錯能呢？ 目前，層錯能的計算方法有很多種，主要包括有熱力學(xué)計算、透射電鏡層錯寬度測量法、XRD峰值法等。其中，熱力學(xué)計算方法由于比較成熟，有效得到廣泛應(yīng)用。 但是，熱力學(xué)計算層錯能需要統(tǒng)計各類熱力學(xué)參數(shù)。因此，想快速得出層錯能來了解材料性能就比較困難了。 為了解決這一問題，我們開發(fā)了一款免費且簡便好用的小工具， 希望能對你的研究和寫作有所幫助。
它簡單易用 ，進(jìn)入網(wǎng)站 （點擊本公眾號“Goal Science”欄目，科研資源→層錯能計算）計 算 層錯能
下面我們以Co-10Ni-5Mo-0.1Si合金為例來計算合金的層錯能大小。 這里，我們首先輸入想要計算的合金類型，主要有鈷基、鎳基與鐵基三類。我們選擇鈷基合金。
然后輸入各元素重量百分比。
輸入溫度500℃后，點擊Calculated。
那么，最終我們得到Co-10Ni-5Mo-0.1Si合金在500℃下的層錯能為-59.39mJ/m2。 有人便要問了，這樣的得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性如何呢？ 我們推出的這款app計算方法原理及數(shù)據(jù)來自發(fā)表在JAC上的一篇科學(xué)研究論文，文中對層錯能的計算原理及方法有詳盡的敘述，感興趣的可以下載原文進(jìn)行查看。
我們以最近在Scripta上發(fā)表的Temperature dependent deformation behavior and stacking fault energy of Fe40Mn40Co10Cr10 alloy一文中的Fe40Mn40Co10Cr10合金為例，在室溫(RT)和-100℃下計算的SFE分別為22.33mJ/m2和13.42mJ/m2，
與文中利用透射電鏡弱束暗場的實驗計算方法的結(jié)果（分別為37.7(±7)mJ/m2和19.5(±5)mJ/m2）較為一致，看來準(zhǔn)確性還可以。 同時，我們可以對各種不同合金元素進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。
例如選擇變量元素為Cr，調(diào)節(jié)其含量為10.24%~41.48%。
下面出來各熱力學(xué)參數(shù)隨Cr含量變化的曲線，
其中，Gchemical為化學(xué)自由能變化值，Gmagnetic為磁性能的變化值，deltaG為吉布斯自由能的變化，最后是SFE層錯能隨Cr含量的變化。 計算結(jié)果的前10行數(shù)據(jù)會進(jìn)行展示。當(dāng)然，我們也可以點擊Download CSV File 將計算結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出，
自動轉(zhuǎn)換結(jié)果為 CSV ，然后用 Excel 打開。
我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)形式都比較標(biāo)準(zhǔn)，可以直接做分析用。當(dāng)然，如果有打不開csv文件的，可以用記事本打開，或者使用notepad++編譯器打開。 如果你想具體了解層錯能的計算方法，或想將計算的數(shù)據(jù)用作論文寫作材料，可以引用以下論文，
最后，如果你對層錯能的計算或使用上有好的想法或建議，歡迎進(jìn)行反饋與交流。
讀完這篇文章后，相信你對層錯能的計算有了進(jìn)一步的了解：
層錯能對高氮鋼、TWIP鋼及鎳鈷基高溫合金等工程材料的變形機制、強韌化與抗疲勞設(shè)計 具有重要指導(dǎo)意義；
能夠快速計算不同種類合金的層錯能大小 ，以及合金層錯能隨元素的變化情況趨勢；
將計算結(jié)果導(dǎo)出為可讀的 CSV 格式 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
參考文章：
面心立方金屬層錯能效應(yīng)研究取得新進(jìn)展
