纯铜%5b01-1%5d倾侧型非共格∑3晶界结构稳定性分子动力学模拟的研究.pdfVIP

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 董垒 王卫国 山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049 [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)/(-3 11)、 （-411）/(011)、(-1311)/（-133）、(-122)/（-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。 [关键词]纯铜 ; 非共格∑3晶界 ; 分子动力学模拟