CuΣ15晶界结构低能化转变的微观机制研究

采用分子动力学模拟方法对CuΣ15晶界的结构转变过程进行了系统研究,发现在单轴拉伸作用下CuΣ15[112](512)晶界会向Σ11[112](131)晶界发生低能化结构转变。位错演化和原子运动轨迹分析表明,该结构转变过程主要在两种肖克莱不全位错b_(1)=1/6[211]和b_(3)=1/6[121]的共同作用下完成。首先b_(1)位错从与Σ15晶界六边形结构单元的5和6号原子处形核并发射,此后其在{111}面上滑移导致内禀型堆垛层错的形成;b_(3)位错随后在与b_(1)同样位置形核并发射,引起{111}面上原子二次重排,从而导致堆垛层错消失。在上述位错作用下,CuΣ15晶界中原本组成六边形结构单元的5和6号原子脱离晶界区域,沿{111}面进入晶粒内而变为体相原子,剩余4个原子则重新排列形成四边形结构单元;CuΣ15晶界由此逐步完成向Σ11晶界的结构低能化转变。

钨对称倾斜晶界的分子动力学计算模拟

本文通过分析对称倾斜晶界的结构特点,建立了一套基于倒易空间阵点的对称倾斜晶界构建方法,并通过基于嵌入原子势分子动力学模拟研究了体心立方钨不同旋转轴和倾斜角的对称倾斜晶界结构、界面能和分离功。结果表明:在倾斜角或其对应的余角较小的情况下(<20°),随着倾斜角的增大,晶界能增加,说明小角度晶界具有较低的晶界能;而倾斜角较大时,晶界能出现了局域极小值,对应着特殊的大角度对称倾斜晶界,通过界面原子结构确定了其重位点阵参数;不同旋转轴下的对称倾斜晶界的晶界能都不相同,如以[110]和[111]为旋转轴时,体心立方Σ3(112)孪晶界具有最低的晶界能。分离功的结果表明,以[100]为旋转轴的特殊大角度对称倾斜晶界易于断裂,而以[110]和[111]旋转轴的孪晶界Σ3(112)及偏离其一定角度的大角度晶界具有高的分离功,在钨及钨合金的界面结合和断裂强度上起主要作用。

体心立方金属对称倾斜晶界的改进分析型嵌入原子法模拟

采用改进分析型嵌入原子法(modified analytical embedded atom method,MAEAM),从原子尺度对体心立方(body-centered cubic,BCC)金属Li在以[001]为旋转轴的对称倾斜晶界(symmetrical tilt grain boundary,STGB)中的结构和能量进行了计算机模拟.结果表明,刚性结合的对称倾斜晶界面附近的原子距离非常近,从而导致能量异常高.所研究的27个晶界面两晶粒间的相对平移均可降低晶界能,最小晶界能出现在特定的平移距离处,且随重合密度倒数Σ增加而振荡增加,随相对面间距ad增加而减小,3个最低能量的晶界面依次对应于(310)、(530)和(510).由能量最小化原理知这些晶界面将依次择优出现.

铝双晶晶界滑动的实验研究

制取了具有[110]对称倾斜晶界的纯铝双晶体,获得了18种不同取向差的纯铝双晶试样。测定了晶界滑动速率与晶界取向差的关系。发现晶界滑动速率是晶界取向差(晶界结构)的敏感量;晶界滑动激活能随取向差变化而变化,并有极小值和极大值;晶界滑动速率随晶界切应力的增加呈线性上升;晶界滑动速率随温度的升高呈指数增加。

Bi偏聚对［001］对称倾侧Cu双晶晶界脆性的影响

使用定向生长的［００１］对称倾侧Ｃｕ双晶，研究了Ｂｉ偏聚对Ｃｕ双晶断裂行为和晶界脆性的影响．结果表明：Ｃｕ－Ｂｉ双晶的断裂行为和断裂应力强烈地依赖于晶界的取向差，而与晶界的重位点阵密度无关，其晶界脆性取决于未偏聚Ｃｕ双晶晶界的能量．晶界的能量越大，晶界脆性越强．这种依赖关系可由Ｂｉ在不同晶界的选择性偏聚解释．

Cr/W合金元素在α-Fe晶界上偏析热力学行为研究

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是聚变堆的候选结构材料,溶质元素在晶界上的偏析行为会引起材料晶界强化或弱化(脆化),因此研究溶质元素的晶界偏析行为对RAFM钢的研发和性能预测具有重要意义。本文采用分子动力学方法和Metropolis蒙特卡罗方法,研究了300~800 K下不同模拟合金(FeW、FeCrW)中Cr/W元素在晶界上的偏析行为,讨论了空位、温度对合金元素在晶界偏析的热力学影响以及W和Cr元素在晶界偏析上的耦合作用。计算结果表明:在FeW模型合金中,W元素会在晶界附近出现明显的富集现象;在FeCrW模型合金中,未观察到W元素在晶界处富集,Cr元素会在大部分晶界处富集。因此,Cr元素会抑制W在晶界处富集,主要原因是Cr与W之间的排斥作用。此外,研究表明,空位对Cr和W在晶界上的偏析行为无明显影响,而随着温度的升高,溶质元素在晶界上的偏析程度逐渐减弱。

纯Mo〈110〉对称倾侧晶界的分子静力学模拟研究

Mo的固有脆性是限制Mo及Mo基合金作为包壳材料应用的关键性问题,其脆性的一个重要来源是Mo本身强度较低的晶界。为系统理解纯Mo的晶界结构,本文采用分子静力学方法,对32个〈110〉对称倾侧晶界的晶界能及空位形成能进行研究,并讨论空位在晶界上的形成规律。计算结果表明,晶界区域相较于完美晶体更易形成空位,且晶界上空位形成能与晶界能密切相关,越稳定的晶界越不易形成空位。空位在不同晶界结构上的形成规律有显著差异,在倾侧角小于等于58.992°的晶界结构中,空位易在C结构单元内形成;对于倾侧角介于58.992°与144.364°之间的晶界结构,空位易在“屋顶”结构中形成;对于倾侧角大于144.364°的晶界结构,空位易在Z型结构中形成。此外,通过4种势函数对32个晶界结构进行计算的结果表明,在晶界能与空位形成能方面,4种势函数无显著差异,但通过光谱近邻分析势计算得到的一部分晶界结构具有更高的不对称度。