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晶界是多晶体材料中一类重要的晶体缺陷,对多晶体材料的力学性能有重要的影响,而进行晶界在切应力作用下本征力学行为规律的研究对认识多晶体材料力学行为有重要的指导意义。本论文工作采用计算机原子尺度模拟方法,结合嵌入原子型原子间相互作用势与晶界的双晶体模型,对面心立方金属中两种对称倾斜晶界∑11[110](113)和∑9[110](221)在切应力作用下的本征力学行为进行了较为细致的研究,得出了这两种晶界在切应力作用下结构转变机理的一些规律性的认识,对澄清晶界“结构-力学行为”规律起到了一定的帮助作用。具体来讲,主要有如下几个方面:
⑴对含∑11[110](113)对称倾斜晶界的铜与铝双晶体在室温切应力作用下的形变行为采用分子动力学模拟方法进行了研究。发现随剪切方向的不同,晶界结构转变的方式可以为晶界滑移或晶界耦合运动。分析表明,晶界滑移和晶界耦合运动都是通过晶界“断层带”的均匀形核与扩展的方式来完成的,而晶界耦合运动的耦合因子β可通过相应的晶界“断层带”的|b|/h值来计算。对于该晶界,具有柏氏矢量为1/22(471)类型的晶界“断层带”在其剪切行为中扮演着重要的角色,引起晶界滑移或晶界耦合运动所需的切应力都与该类型的晶界“断层带”的临界形核切应力以及剪切方向与其最邻近的(471)方向之间的夹角相关。
⑵对三种面心立方金属铜、铝与镍中含∑9[110](221)对称倾斜晶界的双晶体在室温切应力作用下的力学行为进行了研究。发现在这三种金属中,该晶界在0K下均存在两种局部稳定结构:“E结构”界面与“镜像对称”界面。其中,“E结构”界面为室温下的稳定结构,而两种晶界结构均符合晶界重位点阵描述。对双晶体的剪切加载过程进行了模拟,发现在室温切应力作用下,双晶体内部结构缺陷演化方式随剪切方向的不同而存在三种形式:①纯粹的晶界滑移;②晶界上位错的形核并向晶粒内发射,同时伴随晶界局部原子重排运动;③晶界滑移与晶界迁移相结合的耦合运动。对于发生晶界耦合运动的剪切过程,晶界迁移的方向与距离也会随剪切方向的不同而不同。在某些特定的剪切方向下,不同金属的双晶体其内部结构演化方式也会有所差别。基于晶界的重位点阵理论确定出了该晶界在切应力作用下所能激发的若干晶界基元结构转变过程,并采用这些晶界基元结构转变对双晶体在剪切过程中的力学行为表现给出了较好的解释。对于晶界耦合运动,提出采用组合参数(λ,κ)来对其运动学特征进行描述。分析发现,对所模拟的双晶体剪切过程,计算所得出的组合参数(λ,κ)值与基于晶界的重位点阵理论所预测的值是一致的。
⑶对∑9[110](221)对称倾斜晶界在剪切作用下力学行为中的温度效应进行了研究。结果表明,在从室温冷态到接近熔点的温区内,该晶界在切应力作用下的力学行为也可采用前述晶界基元结构转变的概念给出较好的解释。研究还发现,当温度发生改变时,双晶体在剪切过程中结构转变机理会发生变化,而其应力应变响应行为与晶界的运动学特征也会相应发生改变。