[论文解读] Multiscale modeling of plastic deformation of molybdenum and tungsten: I. Atomistic studies of the core structure and glide of 1/2 screw dislocations at 0 K

Roman Gröger, Aimee Gotway Bailey+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2008

Microstructure and mechanical properties参考文献 3被引用 4

一句话总结

本研究利用价键势（bond order potentials）模拟了在 0 K 条件下，钼和钨中 1/2〈111〉 螺型位错的位错核心结构及其滑移行为。研究发现，垂直于滑移方向的剪切应力显著改变了位错核心结构，导致非 Schmid 行为，并在应力较小的 {110} 面上出现异常滑移——尤其在钼中观察到形变孪生与反孪生的非对称性。这些发现为体心立方（BCC）金属的物理基础屈服准则提供了理论基础。

ABSTRACT

Owing to their non-planar cores 1/2<111> screw dislocations govern the plastic deformation of BCC metals. Atomistic studies of the glide of these dislocations at 0 K have been performed using Bond Order Potentials for molybdenum and tungsten that account for the mixed metallic and covalent bonding in transition metals. When applying pure shear stress in the slip direction it displays significant twinning-antitwinning asymmetry for molybdenum but not for tungsten. However, for tensile/compressive loading the Schmid law breaks down in both metals, principally due to the effect of shear stresses perpendicular to the slip direction that alter the dislocation core. Recognition of this phenomenon forms a basis for the development of physically based yield criteria that capture the breakdown of the Schmid law in BCC metals. Moreover, dislocation glide may be preferred on {110} planes other than the most highly stressed one, which is reminiscent of the anomalous slip observed in many BCC metals.

研究动机与目标

• 利用精确的原子间势，研究在 0 K 条件下，钼和钨中 1/2〈111〉 螺型位错的核心结构与滑移行为。
• 理解体心立方金属中非 Schmid 行为的起源，特别是多轴应力下 Schmid 定律失效的原因。
• 探讨垂直于滑移方向的剪切应力在改变位错核心构型并促进在应力较小的 {110} 面上发生异常滑移中的作用。
• 为发展适用于体心立方金属连续塑性力学建模的物理基础屈服准则，提供原子尺度的实证支持。

提出的方法

• 采用能够精确描述钼和钨等过渡金属中混合金属键与共价键特性的键序势（BOPs）。
• 在 0 K 条件下，对纯剪切以及拉伸/压缩载荷下的位错滑移进行大规模原子模拟。
• 在超胞中使用最小像法和周期性边界条件，以模拟体心立方晶体中位错核心的结构。
• 通过分析不同应力状态下的原子位移和键畸变，解析位错核心结构。
• 计算临界 resolved 剪切应力（CRSS），并比较不同 {110} 滑移面上的滑移行为。
• 利用 [101] 对称面和三重螺旋轴分析位错核心的对称性破缺，识别简并构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 0 K 条件下，纯剪切应力作用下，钼和钨中 1/2〈111〉 螺型位错的核心结构如何演化？对称性在此过程中起什么作用？
• RQ2 在拉伸/压缩载荷下，为何钼和钨中的 Schmid 定律会失效？哪些应力分量是主要原因？
• RQ3 在剪切载荷下，为何钼中出现形变孪生与反孪生的非对称性，而钨中则无此现象？
• RQ4 当滑移方向上的 resolved 剪切应力较低时，位错是否可能优先在 {110} 面上滑移？其背后的机制是什么？
• RQ5 滑移方向外的剪切应力如何改变位错核心结构，并影响滑移的临界 resolved 剪切应力？

主要发现

• 在钼中，由于滑移方向外的剪切分量影响，纯剪切应力下观察到显著的形变孪生与反孪生非对称性。
• 在钨中未发现此类非对称性，表明其对剪切载荷的响应更具对称性。
• 两种金属中 Schmid 定律的失效主要由垂直于滑移方向的剪切应力引起，这些应力畸变了位错核心结构。
• 当滑移方向外的剪切应力较大且为负值时，位错可在滑移方向上 resolved 剪切应力较低的 {110} 面（特别是 (011) 和 (110) 面）上发生滑移，即出现异常滑移。
• 在此类条件下，1/2〈111〉 螺型位错的核心在 (101) 面上收缩，并向 (011) 和 (110) 面扩展，从而实现异常滑移。
• 应力张量的偏量部分控制位错滑移，其中滑移方向外的剪切应力通过改变核心结构而非直接驱动位错运动，表明其在屈服准则构建中具有根本性作用。