[论文解读] Screw dislocations in BCC transition metals: from <i>ab initio</i> modeling to yield criterion

Emmanuel Clouet, Baptiste Bienvenu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Microstructure and mechanical properties参考文献 110被引用 39

一句话总结

Ab initio建模的BCC金属螺位错产生了一个温度与取向相关的非Schmid屈服准则，适用于钨，并与实验进行了比较。

ABSTRACT

We show here how density functional theory calculations can be used to predict the temperatureand orientation-dependence of the yield stress of body-centered cubic (BCC) metals in the thermallyactivated regime where plasticity is governed by the glide of screw dislocations with a 1/2 <111> Burgers vector. Our numerical model incorporates non-Schmid effects, both the twinning/antitwinning asymmetry and non-glide effects, characterized through ab initio calculations on straight dislocations. The model uses the stress-dependence of the kink-pair nucleation enthalpy predicted by a line tension model also fully parameterized on ab initio calculations. The methodology is illustrated here on BCC tungsten but is applicable to all BCC metals. Comparison with experimental data allows to highlight both the successes and remaining limitations of our modeling approach.

研究动机与目标

• 通过螺位错滑移机制促进对BCC金属塑性的理解。
• 量化非Schmid效应和 kink-pair 成核在热激活 regime 中对屈服的支配作用。
• 建立基于DFT数据的屈服准则，捕捉温度与取向依赖性。
• 以钨为例演示方法学，并讨论对其他BCC金属的适用性。

提出的方法

• 使用四极周期边界设置来建模1/2<111>螺位错以模拟位错偶极子。
• 通过DFT计算2D能量景观 V_P^2D(x,y)，包括易核心、分裂核心、硬核心和鞍点构型。
• 通过NEB在外加载应力下计算Peierls势垒及势垒高度，以提取Peierls应力 tau_P。
• 在位错路径上推导1D焓垒，并将外加载应力与势垒倾斜相关联，得到修正的Schmid定律。
• 通过Trajectory角α引入与非Schmid效应和T/AT非对称性相关的应力依赖性修正。
• 通过2D Eshelby-like核心场耦合实现核心松弛体积，以考虑非体积性晶格响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 .BCC tungsten中1/2<111>螺位错的2D Peierls势在位错位置如何变化？
• RQ2 非Schmid效应（包括T/AT非对称性和非滑移应力）如何修正BCC螺位错的屈服准则？
• RQ3 从ab initio数据能否预测BCC金属的温度-取向相关屈服应力？
• RQ4 位错核心拓扑（易/硬/分裂）在确定滑动势垒和 kink-pair 成核中的作用？
• RQ5 位错轨迹偏离直线是否影响跨MRSSP取向的观测屈服行为？

主要发现

• BCC钨中的螺位错核是非简并且紧凑的，识别出易、分裂、硬和鞍点核构型。
• Peierls势垒呈单峰轮廓，易核之间存在鞍点，在受力下势垒有小的弹性修正。
• 在0 K时的Peierls应力在所研究构型约为1970 MPa，显著高于实验外推值。
• 位错轨迹偏离向分裂核，与T/AT非对称性相关联，这一偏离可由取向角α量化。
• 将轨迹角α纳入的修正Schmid定律给出屈服应力随MRSSP取向χ的变化，tau_P(χ) = cos(α)/cos(χ - α) * tau_P^0， qualitatively 捕捉了T/AT非对称性。
• 非滑移核心膨胀场对松弛体积及张-压不对称性有贡献，影响应力响应与能量景观。