纯铜[01-1]倾侧型非共格∑3晶界结构稳定性分子动力学模拟研究
摘要
中低层错能面心立方(FCC)金属中的非共格Σ3孪晶界会在退火过程中通过微调的方式转化成共格Σ3晶界,即通常所指的孪晶界,这对基于退火孪晶的FCC金属晶界特征分布(GBCD)优化研究具有重要意义.由于其结构和性能存在重大差异,不同晶面匹配的非共格∑3晶界向孪晶界转化的能力及所需的热力学条件也会各不相同.考虑到这种转化是在很短的时间内(皮秒至纳秒范围内)完成的,无法通过传统的实验方法进行研究,本文采用分子动力学模拟手段,在原子尺度层次上研究非共格∑3晶界的结构稳定性及其向孪晶界转化的微观机制,为基于退火孪晶的金属材料GBCD优化研究开辟新途径.本文利用晶体学原理基本知识和矩阵理论及坐标转换等手段构造了(255)/(-211)、(177)/(-311)、(-411)/(011)、(-13 1 1)/(-133)、(-1 22)/(-100)、(-5-1-1)/(-111)六个[01-1]倾侧型非共格∑3晶界电子样品,并对其进行分子动力学模拟计算.分子动力学模拟采用基于改进的紧束缚二极矩近似(TB-SMA)原子间相互作用长程经验多体势,在973K-1273K温度范围内和常压下进行,步长为5×10-15秒.模拟结果表明:所研究的六个非共格∑3晶界,其结构稳定性存在很大差异,其一般规律是与(111)/(-111)孪晶界之间的夹角(Φ角)越大,则非共格∑3晶界越不稳定.与(111)/(-111)孪晶界所夹角度最小的非共格Σ3晶界(255)/(-211)最稳定,能量最低,在退火温度下几乎不发生变化,也不迁移.随着Φ角的增大,非共格∑3晶界变得越来越不稳定,并开始迁移.这种迁移的微观机制是晶面指数高的一侧晶体中每三层原子面合并为一层原子面,并同时使晶界面向稳定的(111)/(-111)孪晶界位置处迁移,这一机制受到特定晶界之位错结构的制约.当Φ角达到70.53O时,对应的非共格∑3晶界是(-5-1-(1))/(-111).该晶界极不稳定,可以通过TLMOL机制直接转化为孪晶界而不牵涉晶界迁移.