[论文解读] Dual migration modes of unfaulted disconnections on curved twin boundaries

Hongrui He, Hao Lyu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2026

Microstructure and mechanical properties被引用 0

一句话总结

研究表明，在铝的弯曲Σ3 (111) 一致孪晶界上未错位的断裂在两种不同模式下迁移，这取决于断裂核结构：纯边缘型断裂遵循热激活双错峰机制，而含螺旋分量的断裂显示低能、随机、非阿伦尼乌斯型模式。

ABSTRACT

Grain boundary migration governs microstructural evolution in crystalline materials, directly influencing mechanical properties such as strength and thermal stability. Disconnections, which are line defects formed at grain boundaries in response to local curvature, have been identified as critical carriers of boundary migration. Here, we investigate the glide of unfaulted disconnections (UFDs) on a coherent twin boundary in aluminum at elevated temperatures using molecular dynamics simulations combined with the Nudged Elastic Band (NEB) method. Our results reveal a striking bifurcation in migration behavior depending on the disconnection core structure. UFDs with a pure edge Burgers vector migrate via a thermally activated double-kink mechanism, exhibiting a migration velocity that increases monotonically with temperature. In contrast, UFDs containing a screw dipole component possess an energy barrier approximately eight times lower, and their core structure undergoes a continuous transformation during glide, giving rise to stochastic, bidirectional motion with no systematic temperature dependence. These findings demonstrate that the disconnection core structure fundamentally dictates the migration mode and kinetics of twin boundaries, offering new mechanistic insights into disconnection-mediated grain boundary migration.

研究动机与目标

• 理解断裂核结构如何影响铝弯曲孪晶界上的迁移模式。
• 表征不同断裂类型（边缘、混合、螺旋）的能垒和温度依赖性。
• 确定断裂是在驱动晶界迁移的同时发生集体迁移，还是作为稳定偶极存在。
• 评估边界两侧的能量密度差如何推动或阻碍断裂运动。

提出的方法

• 使用EAM势在铝双晶体系中对Σ3 (111) 一致孪晶界进行分子动力学模拟。
• 构建对称核的未错位断裂偶极，并通过 Burgers电路分析对其进行分类。
• 使用Nudged Elastic Band (NEB)方法计算能垒和迁移路径。
• 应用ECO方法在边界两侧施加受控能量密度差。
• 跟踪断裂分离和孪晶界位置以提取迁移速率。
• 使用热激活双错峰框架及相关参数对错峰成核与迁移进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 断裂核结构（边缘与螺旋分量）如何控制铝中弯曲CTB的迁移机制？
• RQ2 UFD1型和UFD3型断裂的能垒是多少，这些能垒随温度变化如何？
• RQ3 在升温下，UFD偶极是否会湮灭以产生单层GB迁移，还是维持为稳定偶极？
• RQ4 边界两侧的能量密度差如何推动断裂运动和整体晶界迁移？

主要发现

• UFD1型断裂通过热激活的双错峰机制迁移，在600 K时的能垒约为0.65 eV。
• UFD1型断裂的速度和晶界迁移速率随温度单调增加，原因是熵增强的 kink-pair 成核。
• UFD2型断裂在研究温度范围内无法移动，原因是局部净 Burgers矢量为零且偶极能较低。
• UFD3型断裂包含螺旋偶极分量，NEB能垒显著较低（约0.08 eV），呈现随机的双向运动，且没有系统的温度依赖。
• UFD3型断裂的核变形使可逆迁移步骤成为可能，导致相比UFD1的净迁移速度更低。
• 边界两侧的能量密度差影响迁移方向和能垒，在给定条件下断裂趋向在边界两侧湮灭而非中心。