[论文解读] Amorphous intergranular films as toughening structural features

Zhiliang Pan, Timothy J. Rupert|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究通过分子动力学模拟表明，非晶界间薄膜通过作为高效的位错阱，可增强纳米结构材料的断裂韧性。较厚的薄膜通过将塑性应变扩散至涡旋状原子流动，降低裂纹成核与扩展速率，从而延迟裂纹扩展并降低断裂驱动力，相较于清洁晶界表现出更优的抗裂性能。

ABSTRACT

The ability of amorphous intergranular films to mitigate damage formation at grain boundaries is studied with molecular dynamics simulations. We find that such films can alter both crack nucleation and crack growth rates by efficiently absorbing dislocations, with thicker films being more effective sinks. Local plastic strain brought by incoming dislocations is diffused into a triangular region within the amorphous film and is accommodated by a flow of boundary atoms which resembles a vortex shape; this vortex grows inside of the amorphous intergranular film as more dislocations are absorbed until it reaches the opposite amorphous-crystalline interface, after which cracks can finally be nucleated. Even after nucleation, these cracks grow more sluggishly in an amorphous intergranular film than they do along a clean grain boundary, since the driving force for crack growth is lower in the amorphous film. The results presented here suggest that amorphous intergranular films can act as toughening features within a microstructure, and thus are promising for designing nanostructured materials with better ductility and fracture toughness.

研究动机与目标

• 研究非晶界间薄膜在晶界损伤缓解中的作用。
• 理解这些薄膜如何影响裂纹成核与扩展机制。
• 评估非晶薄膜作为纳米结构材料增韧特征的有效性。
• 确定薄膜厚度与位错吸收能力之间的关系。

提出的方法

• 采用分子动力学模拟，研究晶体晶界处非晶界间薄膜的位错相互作用。
• 模拟追踪了位错吸收、塑性应变扩散以及非晶薄膜内的涡旋状原子流动。
• 系统性地改变薄膜厚度，以评估其对位错阱效率的影响。
• 通过对比非晶薄膜与清洁晶界，分析裂纹成核与扩展速率。
• 量化并比较不同界面结构下的裂纹扩展驱动力。
• 可视化原子尺度的变形机制，以识别流动模式与应变局域化。

实验结果

研究问题

• RQ1 非晶界间薄膜如何影响晶界处的裂纹成核？
• RQ2 位错吸收在非晶薄膜内延迟裂纹形成中起何作用？
• RQ3 薄膜厚度如何影响位错阱行为的效率？
• RQ4 与清洁晶界相比，非晶薄膜中裂纹扩展速率降低的机制是什么？
• RQ5 在位错吸收过程中，塑性应变如何在非晶薄膜内分布？

主要发现

• 非晶界间薄膜能有效吸收入射位错，降低局部应力，从而延迟裂纹成核。
• 塑性应变被扩散至薄膜内的三角形区域，形成边界原子的涡旋状流动，且随着位错吸收的增加而扩展。
• 涡旋结构持续生长，直至到达相反的非晶-晶体界面，此后裂纹成核才可能实现。
• 较厚的非晶薄膜在吸收位错和延迟裂纹形成方面更为有效。
• 由于断裂驱动力较低，非晶薄膜中的裂纹扩展速率显著慢于清洁晶界。
• 结果证实，非晶界间薄膜在纳米结构材料中作为内在增韧特征发挥作用。