[论文解读] The effect of normal stress on stacking fault energy in face-centered cubic metals

Yang A. Li, Y. Mishin|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2026

Microstructure and mechanical properties被引用 0

一句话总结

本研究通过DFT评估竖直应力作用下(111)平面的稳定堆垛层错能（SFE）与不稳定堤错能（USFE）在六种FCC金属中的变化，结果显示压缩增加SFE/USFE，而拉伸则降低，并将结果与多种原子势进行了比较。

ABSTRACT

Plastic deformation and fracture of FCC metals involve the formation of stable or unstable stacking faults (SFs) on (111) plane. Examples include dislocation cross-slip and dislocation nucleation at interfaces and near crack tips. The stress component normal to (111) plane can strongly affect the SF energy when the stress magnitude reaches several to tens of GPa. We conduct a series of DFT calculations of SF energies in six FCC metals: Al, Ni, Cu, Ag, Au, and Pt. The results show that normal compression significantly increases the stable and unstable SF energies in all six metals, while normal tension decreases them. The SF formation is accompanied by inelastic expansion in the normal direction. The DFT calculations are compared with predictions of several representative classical and machine-learning interatomic potentials. Many potentials fail to capture the correct stress effect on the SF energy, often predicting trends opposite to the DFT calculations. Possible ways to improve the ability of potentials to represent the stress effect on SF energy are discussed.

研究动机与目标

• 了解施加于(111)平面的竖直应力如何影响FCC金属的稳定堆垛层错能（SFE）。
• 了解施加于(111)平面的竖直应力如何影响FCC金属的不稳定堆垛层错能（USFE）。
• 量化Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni在SFE和USFE对应力的依赖。
• 评估堆垛错形成体积ΔL及在错形成过程中的弹性性质对竖直应力的响应。
• 评估经典与机器学习型原子势在预测应力对SFE的影响方面的性能。

提出的方法

• 使用倾斜单胞方法的DFT GSFE计算以施加应力并在(111)平面产生堆垛错。
• 在不同的法向应力σn(-20至20 GPa)下，从GSFE曲线计算SFE和USFE。
• 在堆错区域形成错时提取SFormation体积ΔL作为非弹性膨胀。
• 评估在施加法向应力下的弹性性质，包括剪切模量G和泊松比ν。
• 将DFT结果与一组经典（EAM、MEAM、ADP、MT）及ML（PINN、SNAP、MTP）原子势进行比较。
• 使用式(1)和式(2)在固定应力与固定长度条件下计算GSFE，在大多数情形中选择式(2)以提高效率。

Figure 1 : (a) Atomic structure of the cell used in the GSFE calculations. The cell contains 24 (111) layers, each with two atoms. The atoms are colored by their $Z$ positions to provide better visualization of the structure. (b) Illustration of the tilted-cell method. By tilting the $Z$ axis toward

实验结果

研究问题

• RQ1 施加于(111)平面的竖直应力如何改变FCC金属的本征SFE与USFE？
• RQ2 在普通压缩与张力下，SFE与USFE在Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni间是上升还是下降？
• RQ3 是否存在统一的标度关系或主曲线，描述不同FCC金属下SFE/USFE相对于竖直应力的关系？
• RQ4 代表性的经典与ML原子势在再现DFT预测的应力对SFE与USFE的影响方面有多高的准确性？
• RQ5 在施加应力下，SF形成体积的行为如何，与潜在晶格能量学的关系如何？

主要发现

• 在所有六种金属中，SFE和USFE对竖直应力呈单调增加的趋势；张力降低它们，而压缩提高它们。
• 在某些情形下，正常压缩可使SFE增至大约四倍；而强拉伸可将Cu、Ag、Au的SFE降至几乎为零。
• SF形成伴随沿[111]方向的非弹性膨胀，ΔL对所研究的所有金属均为正值。
• 剪切模量G和泊松比ν通常随应力增加，表现出与σn的正相关。
• Pt和Ni在所研究的应力下具有最高的USFE，而Ag和Au具有最低USFE。
• 在归一化坐标中，SFE曲线可聚合为两组，提示在应力下SFE与USFE可能存在主标度行为。

Figure 2 : GSFE versus shear displacement under applied normal stress $\sigma_{n}$ obtained by DFT calculations. (a) Al, (b) Cu, (c) Au, (d) Pt, (e) Ni, and (f) Ag. The curves were computed from Eq. ( 2 ). The triangular symbols represent SFE calculations from the exact Eq. ( 1 ).