对称倾斜晶界在纯剪切应力作用下结构转变行为的原子尺度模拟研究.PDFVIP

中国科学: 物理学 力学 天文学 2010 年 第40 卷 第6 期: 734 ~ 743 SCIENTIA SINICA Phys, Mech Astron SCIENCE CHINA PRESS 论 文 铜Σ9〈110〉{221}对称倾斜晶界在纯剪切应力作用下 结构转变行为的原子尺度模拟研究 * 万亮 , 王绍青 中国科学院金属研究所, 沈阳材料科学国家(联合)实验室, 沈阳 110016 * E-mail: liangwan5@ 收稿日期: 2009-11-11; 接受日期: 2010-01-13 国家重点基础研究发展计划资助项目(批准号: 2006CB605103) 摘要 采用原子尺度计算模拟方法并结合嵌入原子型原子间相互作用势, 对含Σ9〈110〉{221}对称倾斜晶界 的铜双晶体在纯剪切载荷作用下的形变行为进行了研究. 能量最小化弛豫分析表明, 该晶界存在两个能量局 部极小的优化结构, 其能量低者为稳态结构, 另一能量稍高者为亚稳态结构. 对双晶体在室温下的剪切过程 进行分子动力学模拟发现, 在不同取向的剪切载荷作用下, 该晶界的结构转变模式有如下三种方式: (1) 纯粹 的晶界滑移; (2) 晶界局部原子重排同时伴随晶界位错发射; (3) 晶界滑移与晶界迁移相结合的耦合运动. 结 构演化分析显示, 纯粹的晶界滑移不改变晶界结构, 晶界位错发射会引发孪晶的产生与面心立方结构向密排 六方结构转化, 而晶界耦合运动则随剪切方向的不同有两种不同的方式: 其一为由晶界原子集体运动而引起 的结构转变过程, 其二为由晶界局部原子重排过程引起的结构转变, 这些局部原子重排过程互不关联; 其中, 前者会使晶界结构在稳态与亚稳态之间转化, 而后者会引起晶界小面化. 分析表明, 这些结构转变规律可采 用晶界重位点阵理论给出较好的解释. 关键词 晶界, 分子动力学, 晶界滑移, 晶界耦合运动, 晶界重位点阵 PACS: 61.72.Mm, 68.35.Gy, 68.35.bd, 83.10.Mj 1 引言 为应变协调的一种方式[6,7]. 最近在对纳米晶材料力 学行为的研究中还发现, 在冷态形变条件下, 纳米晶 晶界是多晶体材料中一类重要的晶体缺陷, 在 材料中的晶界还会发生迁移而引起晶粒长大[8~12]. 多晶体材料的力学行为中扮演着重要的角色[1]. 在近 然而, 晶界在多晶体材料的形变过程中具体是 年来学术界持续关注的纳米晶材料的研究中发现, 如何起作用的, 以及它对于多晶体材料特别是纳米 晶界在这类材料的力学行为中起主导作用[2,3]. 一般 晶材料的形变行为有怎样的贡献与影响目前尚无一 认为, 晶界在多晶体材料冷态形变过程中会阻碍位 个清晰的认识, 在构建多晶体材料的形变模型时, 对 错滑移并引起位错塞积从而达到强化材料的目的[4]; 晶界的力学行为也只能作一些简化假设[13,14] . 为了 当晶粒尺寸达到亚微米与纳米级别时, 晶界会成为 更好地理解多晶体特别是纳米晶材料的结构-力学性 位错源而向晶内发射位错[5], 同时, 晶界滑移也会成 能关系, 同时也为构建多晶体材料形变模型提供更 引用格式: 万亮, 王绍青. 铜Σ9〈110〉{221}对称倾斜晶界在纯剪切应力作用下结构转变行为的原子尺度模拟研究. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2010, 40: 734 ~ 743 中国科学: 物理学 力学 天文学 2010 年 第40 卷