[論文レビュー] Coupled motion of asymmetrical tilt grain boundaries: molecular dynamics and phase field crystal simulations

Zachary Trautt, Ari Adland+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2012

Microstructure and mechanical properties参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、分子動力学（MD）および位相場結晶（PFC）シミュレーションを用いて、非対称傾き Grain Boundary の応力駆動運動を調査し、剪断応力への結合が広範に存在し、不格好な歪み角および傾斜角に依存する非自明な依存関係を明らかにした。主な発見は、遷移領域付近で結合係数 β に不連続な符号変化が生じ、β の値が発散し、すべりに類似した挙動を示すことである。この現象は結晶学的対称性および不純物欠陥の力学によって支配される異なる結合モードに起因する。

ABSTRACT

Previous simulation and experimental studies have shown that some grain boundaries (GBs) can couple to applied shear stresses and be moved by them, producing shear deformation of the lattice traversed by their motion. While this coupling effect has been well confirmed for symmetrical tilt GBs, little is known about the coupling ability of asymmetrical boundaries. In this work we apply a combination of molecular dynamics and phase field crystal simulations to investigate stress-driven motion of asymmetrical GBs between cubic crystals over the entire range of inclination angles. Our main findings are that the coupling effect exists for most of the asymmetrical GBs and that the coupling factor exhibits a non-trivial dependence on both the misorientation and inclination angles. This dependence is characterized by a discontinuous change of sign of the coupling factor, which reflects a transition between two different coupling modes over a narrow range of angles. Importantly, the magnitude of the coupling factor becomes large or divergent within this transition region, thereby giving rise to a sliding-like behavior. Our results are interpreted in terms of a diagram presenting the domains of existence of the two coupling modes and the transition region between them in the plane of misorientation and inclination angles. The simulations reveal some of the dislocation mechanisms responsible for the motion of asymmetrical tilt GBs. The results of this study compare favorably with existing experimental measurements and provide a theoretical ground for the design of future experiments.

研究の動機と目的

• 対称境界における結合が知られているものの、非対称境界における応力への結合挙動は未だ十分に理解されていないため、応用剪断応力への非対称傾き Grain Boundary の結合挙動を調査すること。
• 結合係数 β が、境界構成の全範囲にわたる不格好な歪み角および傾斜角にどのように依存するかを特定すること。
• 交差するすべり面に存在する不純物欠陥が運動を妨げる状況でも、結合運動を可能にする主な不純物欠陥メカニズムを同定すること。
• MD および PFC シミュレーションの結果を比較し、結合挙動の予測の一貫性を評価するとともに、実験データとの妥当性を検証すること。
• 多結晶材料における応力駆動 Grain Boundary 動きの今後の実験設計の理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• FCC Cu および Al を用いた分子動力学（MD）シミュレーションを実施し、異なる温度および応用剪断応力下での原子スケールの応力駆動 Grain Boundary 動きのメカニズムを調査した。
• 位相場結晶（PFC）シミュレーションを用いて、拡散過程（例：不純物欠陥のクローブ）を組み込んだ、より長い時間スケールでの Grain Boundary 動きをモデル化した。
• 結合係数 β = v|| / v_n を、接線方向の Grain Boundary 移動速度 v|| と法線方向の Grain Boundary 速度 v_n の比から計算し、剪断結合の定量的評価を行った。
• MD および PFC シミュレーションにおいて、不格好な歪み角 θ と傾斜角 φ を系統的に変化させ、非対称傾き境界の全パラメータ空間における β の依存関係をマップした。
• MD シミュレーションでは、不純物欠陥反応や回避メカニズムなど、交差するすべり面に存在する不純物欠陥が運動を妨げる状況でも運動を可能にするメカニズムを同定するために、不純物欠陥構造と反応を分析した。
• MD および PFC の結果を比較し、特に遷移領域付近において、β の符号、大きさ、角度依存性の予測の一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称傾き Grain Boundary において、不格好な歪み角および傾斜角の全範囲にわたって結合効果が維持されるか？
• RQ2 結合係数 β は傾斜角 φ および不格好な歪み角 θ にどのように依存するか。その非自明な角度依存性の原因は何か？
• RQ3 交差する面に存在する不純物欠陥が互いに妨げ合う状況でも、非対称境界における結合運動を可能にする主な不純物欠陥メカニズムは何か？
• RQ4 β が正と負の値の間で不連続に符号変化を示す理由は何か。この遷移領域付近で発散する β の値を生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ5 MD および PFC シミュレーションは、β について一貫した予測を示すか。また、実験測定値と比較して、その妥当性はどの程度か？

主な発見

• 結合効果は、多くの非対称傾き Grain Boundary で存在し、β の値は不格好な歪み角および傾斜角に顕著に依存する。
• 傾斜角の狭い範囲で β に不連続な符号変化が生じ、2つの異なる結合モードの遷移を示している。
• 遷移領域付近では β の大きさが非常に大きくなり、あるいは発散し、Grain Boundary がすべりに類似した挙動を示す。
• 正の β と負の β の領域は、θ–φ パラメータ空間において、結晶学的対称性および Peierls 障壁の差に一致する形状の遷移線で囲まれている。
• MD シミュレーションでは、不純物欠陥反応や回避メカニズムが、交差するすべり面に存在する不純物欠陥が互いに妨げ合う状況でも運動を可能にすることが明らかになった。一方、PFC シミュレーションでは、不純物欠陥のクローブが集団的運動を促進し、ロックインを回避することが示された。
• MD および PFC の両手法によるシミュレーション結果は、β の角度依存性について顕著に類似した定性的および定量的傾向を示しており、異なるモデリング手法間での発見の妥当性が裏付けられた。