[科普中國]-扭轉晶界

簡介

晶體兩部分沿垂直于界面軸旋轉一個角,形成扭轉晶界。扭轉晶界是由兩組相交的螺型位錯所構成。純粹的傾側晶界和扭轉晶界是晶界的兩種特殊形式。一般晶界的旋轉軸和界面可以有任意的取向關系，所以實際上小角度晶界是由二維(平面分布)的位錯網(wǎng)絡所構成。

納米晶粒尺度金屬多晶體具有優(yōu)良的力學性能，如高強度、高韌性，因而，納米晶粒尺度下的金屬多晶體的理論和實驗研究已經(jīng)成為關注的熱點。該尺度下晶界影響其力學性能，一方面晶界阻礙位錯運動，引起界面強化，提高其強度；另一方面晶界可以吸收位錯和發(fā)射位錯，提高了其塑性力學行為，所以，對晶界性質的研究已經(jīng)成為重要的研究方向。實驗研究發(fā)現(xiàn)納米晶粒中，晶界處發(fā)生的位錯形核和位錯擴展在金屬晶體變形過程中起主導作用；然而迄今為止納米尺度實驗技術發(fā)展的限制性制約其發(fā)展，利用原子模擬的方法去研究納米尺度的力學現(xiàn)象成為重要的研究手段1。

作用因為物體界面原子和內部原子受到的作用力不同，它們的能量狀態(tài)也就不一樣，這是一切界面現(xiàn)象存在的原因。界面層的克分子自由能較內部大，簡稱界面能。單位界面面積上的界面能稱比界面能，即增加單位界面面積所需的功2。

失配位錯的形成近年來，晶界中的失配位錯成為關注的重點，周耐根等運模擬了負失配條件下的外延鋁簿膜中失配位錯的形成，發(fā)現(xiàn)材料界面上的失配位錯網(wǎng)結構影響位錯運動以及位錯間的交互作用，進而影響晶界的力學性能。一些研究者陸續(xù)得到了納米晶體的孿晶晶界、對稱傾側晶界、非對稱傾側晶界的塑性行為。劉小明等研究了單向拉伸作用下單晶Cu扭轉晶界的塑性行為，給出了扭轉角度與拉伸強度的關系，同時得到了Cu單晶柱的理想強度。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，晶界上的失配位錯網(wǎng)影響著位錯的形核以及位錯間的相互作用，失配位錯網(wǎng)的結構和其變形機制對晶體材料的制備和加工具有重要的指導意義。

模擬過程A 和B 兩個晶粒組成的雙晶體，Z 方向為兩個晶粒的[100]方向，晶界為扭轉晶界，θ 為兩個晶粒之間的扭轉失配角度，上下兩個晶粒分別沿[100]軸分別旋轉θ 2和?θ 2形成初始構型。x，y，z 方向均采用自由表面邊界條件，晶體Cu 原子之間的作用勢能采用Mishin 等提出的嵌入勢能（EAM），模擬過程分為兩個步驟完成：

第1 步，生成穩(wěn)定初始構型。首先生成兩個單晶元胞，然后將其沿[001]軸旋轉生成具有扭轉晶界的雙晶體，最后對生成的雙晶體采用共軛梯度法弛豫使其達到能量最小的穩(wěn)定構型。

第2 步，采用等溫正則系綜，對穩(wěn)定的構型進行加載。為避免溫度對剪切載荷過程位錯的熱激活的影響，在模擬過程中，采用Nose-Hoover 熱浴將系統(tǒng)調節(jié)在比較低的溫度1K 附近。減小加載的邊界效應，選取[100]方向底部和頂部的4 層原子分別為加載原子層。在加載過程中，每個原子的運動采用蛙跳積分求出其速度和加速度，時間步長取為Δt =1.5×10?3 ps。每次沿[010]方向施加 0.48%的單向剪切應變，然后弛豫1000 步，重復此剪切、弛豫過程100 次，直到加載完畢3。

總結Cu柱的屈服強度隨著扭轉角度的增加先升高后降低，臨界角度0θ 約為13 度，對于低角度扭轉晶界（扭轉角小于0θ ），Cu 柱的屈服應力隨著扭轉角度的增加而增加，此時晶界的強化機制表現(xiàn)為晶界處發(fā)生位錯形核；對于高角度扭轉晶界（扭轉角度大于0θ ），Cu 柱的屈服強度隨著扭轉角度的增加而急劇減小，此時晶界的強化機制表現(xiàn)為晶界兩側晶粒在晶界處的滑動。

通過計算發(fā)現(xiàn)，扭轉晶界對Cu 晶體的力學性能有很大影響，Cu(100)扭轉晶界晶體在剪切載荷作用下，晶界的結構形態(tài)決定變形中的塑性行為。低角度晶界，晶界處位錯密度稀疏，失配位錯密度低，晶界能低，晶粒間滑動趨勢降低，Cu 柱屈服主要表現(xiàn)為晶界處的位錯形核與擴展；高角度扭轉晶界，晶界處形成面缺陷，失配位錯密度高，晶界能高，晶粒間滑動趨勢增強，Cu 柱的屈服表現(xiàn)為晶界滑動。不同扭轉角度的扭轉晶界屈服應力不相同，存在臨界角度0θ ，低于臨界角0θ ，晶界處的位錯形核占主導，屈服應力較高；高于臨界角0 θ，晶界滑移占主導，屈服應力降低2。