【摘 要】
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晶界作为晶体点阵的过渡区域,是金属材料微观组织与结构的重要组成部分,会显著影响材料的各项性能和行为。晶界能和晶界迁移作为晶界的两个重要特性,与再结晶、晶粒长大和变形等行为密切相关。本研究基于分子动力学理论,利用截断球状双晶模型计算了体心立方金属Fe的晶界能,构建了金属Fe晶界能数据库,并系统性分析了晶界能与取向差角、取向差轴、晶界面取向和重位因子等的相关性;同时,利用改进合成驱动力分子动力学方法探
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晶界作为晶体点阵的过渡区域,是金属材料微观组织与结构的重要组成部分,会显著影响材料的各项性能和行为。晶界能和晶界迁移作为晶界的两个重要特性,与再结晶、晶粒长大和变形等行为密切相关。本研究基于分子动力学理论,利用截断球状双晶模型计算了体心立方金属Fe的晶界能,构建了金属Fe晶界能数据库,并系统性分析了晶界能与取向差角、取向差轴、晶界面取向和重位因子等的相关性;同时,利用改进合成驱动力分子动力学方法探究了金属Fe内晶界的迁移行为。研究结果如下:对于具有<100>、<110>和<111>低指数取向差轴的倾斜晶界(TIGB)和扭转晶界(TWGB),两类晶界的能量在相对较小取向差角范围内(θ<20°)均随θ的增大而不断升高,但随θ的进一步增大而未呈现明显可见的规律,与取向差轴之间不存在一定的规律;<100>、<110>、<111>TIGB的能量随取向差角的整体变化趋势比较类似,而3个取向差轴下TWGB能量的变化趋势则存在明显差异;在6组晶界中,<110>TWGB具有更低的能量;体心立方Fe的晶界能明显高于面心立方A1 和 Ni。基于晶界能数据库构建的12062个晶界,发现晶界能库中的TIGB和TWGB晶界,两类晶界的能量在取向差角(θ)较小时整体随着θ增大而升高,随后整体保持在1100 m/m2左右;在取向差轴(O)中,TIGB位于三角形内部能量高于边部能量;O位于<110>附近的TWGB具有比其它同类晶界明显更低的能量;TIGB中γ-ψn→(110)拟合曲线类似于小“M”形状,而TWGB拟合曲线出现平滑上升现象;当TIGB和TWGB的表面能较小时,晶界能与之成正相关,而后随着表面能增加晶界能保持高能量范围内的小幅度波动。在晶界能库中,晶界能与Σ不存在一定的相关性。利用SDF法计算了 1400 K下两种特定Fe扭转晶界序参量分布,发现序参量分布呈现“三层状”分布。利用CROP-SDF法模拟了 4组晶界迁移行为,在外加势能为0.01 eV/atom和不同温度下,发现各晶界几乎都不沿晶界面法向发生迁移。进一步研究发现,采用fixed-part表面设定模拟晶界迁移更合理。采用fixed-part 表面利用 CROP-SDF 法探究发现,体心立方晶界存在较弱的 晶界迁移不对称问题。
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