FCC和BCC金属晶界动力学的分子动力学模拟研究

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晶界迁移、剪切耦合、滑移在材料微结构演变过程中起着举足经重的作用,影响材料的力学、化学等多种性能。深入研究晶界动力学及其原子机理有助于调控微结构实现材料最优化。通过改变温度或加载条件研究晶界的动力学过程是近年来的研究热点。本文采用递增合成驱动力分子动力学(RSDF-MD)研究了面心立方(FCC)和体心立方(BCC)金属晶界的迁移、剪切耦合和滑移行为,得到以下主要规律:(1)研究了FCC金属晶界的迁移及其热行为,揭示了晶界在低温下非热激活模式和不同热行为之间的转变规律。晶界的热行为和晶界的迁移率与晶界类型有着紧密的联系。在低温下,晶界的临界驱动力沿着倾转轴单调变化,非热激活模式主要发生在小角度晶界,其相对小的错配度可能是导致非热激活模式的原因。一些晶界的热行为转变伴随着结构变化,而晶界临界驱动力与晶界迁移率反相关。探究FCC金属(Al、Ni、Cu、Ag)的层错能、剪切模量与晶界迁移临界驱动力的关系,发现在FCC金属中,层错能越大,晶界的临界驱动力越大,晶界越难迁移,而晶界临界驱动力与剪切模量无关。反热激活晶界的数目与层错能大小相关,层错能越大,反热激活晶界数目越少。(2)研究了FCC金属晶界在100~1000K下的剪切耦合行为,发现温度和驱动力影响下的晶界的复合剪切耦合行为,且严重依赖于晶界结构。大多数低Σ晶界(Σ3~11不包括对称倾转晶界)不发生剪切耦合,对称倾转晶界具有较大的剪切耦合因子,且其剪切耦合因子对温度和驱动力的影响不敏感。而一些扭转和混合晶界也表现出较明显的剪切耦合行为,晶界剪切耦合因子与迁移率(或者驱动晶界迁移的临界驱动力)不相关。剪切耦合模式转变、热行为模式转变、晶界结构变化三者没有明显的关系。(3)研究了FCC金属晶界的滑移行为,发现不管在高温下滑移还是在低温下滑移,发生滑移的晶界大都属于扭转晶界。滑移的产生是由于剪切方向移动所需驱动力低于法向迁移的临界驱动力。(4)研究了BCC金属晶界的迁移、剪切耦合、滑移,发现BCC金属晶界迁移比FCC困难,但其晶界的剪切耦合行为本质上与FCC一致,也存在耦合模式的复杂转变,同样地,BCC金属晶界也存在低温下的滑移现象。BCC金属的晶界迁移临界驱动力、剪切耦合因子及滑移受温度、驱动力、晶界结构的影响。大剪切耦合因子(|βy,z|>0.5)的晶界主要是对称倾转晶界,其热行为模式主要是热激活模式。本论文重点探讨温度、驱动力、结构、层错能等对晶界迁移、剪切耦合、滑移的影响,大大丰富了金属中微观结构演变机理的研究。
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