用分子动力学模拟纯铜[0 1-1]倾侧型非共格Σ3晶界的结构稳定性

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有研究表明,中低层错能面心立方金属中的非共格∑3晶界可以转化为更加稳定的共格∑3晶界,其行为在此类金属晶界特征分布演化中发挥着重要作用。为了掌握不同原子面匹配的非共格∑3晶界的特性,为中低层错能面心立方金属晶界工程研究提供依据,本文采用分子动力学模拟方法研究了纯铜[01-1]倾侧型非共格∑3晶界的结构稳定性及其向共格∑3晶界转化的微观机制。首先,基于晶体学基本原理和重位点阵相关理论、利用坐标转换矩阵法、按照∑3取向差关系进行匹配并综合考虑x、y和z三个方向的周期性边界条件,构造了纯铜的(255)/(-211)、(177)/(-311)、(-411)/(011)、(-122)/(-100)、(-5-1-1)/(-111)五个分子动力学模拟所需的[01-1]倾侧型非共格∑3晶界的电子样品。同时,总结出了面心立方晶体任意晶面(h k1)(h、k、1最大公因数为1)的原子排列一般规律,为其它低∑晶界分子动力学模拟用电子样品的制备奠定了基础。然后,利用分子动力学模拟方法研究了上述五个电子样品在700K-1100K温度范围内和常压下的结构稳定性。分子动力学模拟采用原子间相互作用长程经验多体势,步长为5×10-5秒。模拟结果表明:所研究的五个非共格∑3晶界,其结构稳定性存在很大差异,其一般规律是,与(111)/(-111)共格孪晶界之间的夹角(Φ角)越小,晶界匹配值越大,则非共格∑3晶界越稳定;反之亦然。Φ角最小的(255)/(-211)非共格∑3晶界较稳定,在退火过程中几乎不发生变化。随着φ角的增大,非共格∑3晶界不再稳定,这类晶界会通过Miller指数较高一侧晶体每三层原子面合并为一层原子面(或Miller指数较低一侧晶体每一层原子面分解为三层原子面)的机制转变为亚稳的“台阶”状晶界,台阶面部分地处于精确的能量极低的{111}/{111}共格孪晶界上;当提高温度退火时,这种“台阶”状晶界最终会全部转变成稳定平直的{111}/{111}共格孪晶界。最后,利用重位点阵晶界原子匹配模型分析发现,所模拟的五个非共格∑3晶界的结构稳定性与单位晶界长度对应匹配区面积(即匹配值)存在对应关系,即匹配值越大,晶界越稳定;反之亦然。
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