合金原子和温度对剪切应变诱导的铜晶界弛豫的影响机制研究

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目前合金材料中存在的过度合金化现象以及稀贵元素回收困难或成本高昂问题已成为制约合金材料可持续发展的突出“瓶颈”,因此在不(少)依赖合金元素的前提下如何提高合金性能急需新的解决方案。晶界弛豫是提高晶界稳定性或稳定纳米金属材料的有效策略,它可以使原有的晶界转变为一种更低能态的晶界从而达到稳定纳米晶金属材料的效果。以往对晶界弛豫的研究主要集中在纯纳米晶金属材料中,虽然取得了一定的成果,但还有不足之处,极少考虑到杂质或合金原子等外来原子在晶界弛豫中的作用。因此,本文采用分子动力学方法系统研究了CuΣ3[110](112)和Σ17[110](223)两种对称倾斜晶界在剪切载荷作用下的能量变化和结构弛豫,以及杂质元素(Ag、Fe和Ni)和温度对晶界弛豫的影响;并通过详细观察晶界在不同剪切应变和温度下的结构和位错变化等,揭示了杂质原子和温度对晶界弛豫的微观作用机制。我们的工作不仅可为不(少)依赖合金元素的Cu晶界调控和性能提升提供理论指导,还可为合金成分设计提供有益参考。取得的主要结果如下:(1)高能CuΣ17[110](223)和低能CuΣ3[110](112)对称倾斜晶界的结构单元在能量最小化的过程中均会自发地解离成由Σ11(113)和Σ3(111)晶界的结构单元组成的两个晶界。与优化的CuΣ3[110](112)晶界相比,在优化后的Σ17[110](223)晶界中,除肖克莱不全位错外,还存在Hirth、Lomer-Cottrell位错和其他位错。(2)剪切应变通过在优化后的Cu晶界处发射肖克莱不全位错从而引发纯CuΣ3[110](112)对称倾斜晶界以及含Fe、Ni或Ag晶界的结构转变。尽管Fe、Ni或Ag原子在整个晶界模型中的浓度非常低(0.00165 at.%),但它们对剪切应变诱导的结构弛豫仍具有阻碍作用。在本文所考虑的温度范围内(50 K~400 K),温度并不能独立地触发晶界弛豫,但在剪切应变诱导的纯Cu以及含Fe、Ni或含Ag晶界的结构弛豫过程中起到积极的促进作用,也即随着温度升高,触发和完成结构弛豫所需要的剪切应变均减小。(3)由于在优化后的CuΣ17[110](223)晶界处存在Hirth位错锁和Lomer-Cottrell位错锁,导致该晶界结构不会随着剪切应变的增加而发生改变。此外,在50 K时,Ni原子在晶界处的存在会促进紊乱晶界区域原子的能量弛豫,但随着温度升高,这种促进作用会减弱甚至消失;Ag原子在晶界处的存在会阻碍紊乱晶界区域原子的能量弛豫,且这种阻碍作用不受温度影响;Fe原子在晶界处的存在对紊乱晶界区域原子的能量弛豫无任何促进或抑制作用。
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