[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过分子动力学（MD）和相场晶体（PFC）模拟，研究了非对称倾斜晶界在应力驱动下的运动行为，发现其与剪切应力的耦合效应普遍存在，并表现出对取向差角和倾角的非平凡依赖关系。关键发现是在过渡区域附近，耦合因子β出现不连续的符号变化，导致β值发散并表现出滑移样行为，不同耦合模式由晶体学对称性和位错动力学所主导。

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.

研究动机与目标

• 研究非对称倾斜晶界对施加剪切应力的耦合行为，尽管对称晶界中已知存在此类耦合，但其在非对称晶界中的行为仍不甚明了。
• 确定耦合因子β如何随取向差角和倾角在整个边界构型范围内的变化。
• 识别在位错位于相交滑移面上可能相互阻碍的情况下，促进非对称边界耦合运动的位错机制。
• 比较MD与PFC模拟结果，评估其在预测耦合行为方面的一致性，并将模型结果与实验数据进行验证。
• 为未来在多晶材料中设计应力驱动晶界运动的实验提供理论框架。

提出的方法

• 在FCC Cu和Al中进行分子动力学（MD）模拟，研究不同温度和施加剪切应力下原子尺度的应力驱动晶界运动机制。
• 采用相场晶体（PFC）模拟在更长的时间尺度上建模晶界动力学，包含扩散过程如位错攀移。
• 通过切向晶界平动速度与法向晶界速度之比计算耦合因子β = v|| / v_n，以量化剪切耦合程度。
• 系统地改变取向差角θ和倾角φ，以绘制非对称倾斜边界在整个参数空间中β的依赖关系。
• 在MD模拟中分析位错结构与反应，识别位错反应和位错回避等机制，以解释尽管存在相交滑移面仍能实现运动的原因。
• 比较MD与PFC模拟结果，评估其在预测β的符号、大小及角度依赖性方面的一致性，特别是在过渡区域附近。

实验结果

研究问题

• RQ1 非对称倾斜晶界在整个取向差角和倾角范围内是否仍存在耦合效应？
• RQ2 耦合因子β如何依赖于倾角φ和取向差角θ？其非平凡的角度依赖性由何原因引起？
• RQ3 在位错位于相交滑移面上可能相互阻碍的情况下，主导非对称边界耦合运动的位错机制是什么？
• RQ4 为何β在正负值之间出现不连续的符号变化？该过渡区域附近出现发散β值的物理机制是什么？
• RQ5 MD与PFC模拟在β预测方面的一致性如何？与实验测量结果相比表现如何？

主要发现

• 耦合效应存在于大多数非对称倾斜晶界中，β值随取向差角和倾角显著变化。
• 在较窄范围的倾角内，β出现不连续的符号变化，标志着两种不同耦合模式之间的转变。
• 在转变区域附近，β的幅值变得极大或发散，导致晶界表现出滑移样行为。
• 正β和负β区域在θ–φ参数空间中由一条过渡线分隔，其形状与晶体学对称性及佩尔斯势垒差异一致。
• MD模拟显示，位错反应和位错回避机制使晶界在存在相交滑移面时仍能运动；而PFC模拟表明，位错攀移促进了集体运动并避免了锁定。
• MD与PFC两种方法的模拟结果在β对角度的依赖关系上表现出显著一致的定性与定量趋势，验证了不同建模方法下结果的可靠性。