[论文解读] Universality of grain boundary phases in fcc metals: Case study on high-angle [111] symmetric tilt grain boundaries

T. Brink, Lena Langenohl+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Microstructure and mechanical properties被引用 4

一句话总结

本研究采用经典原子模拟方法，研究了七种面心立方（fcc）金属（Ni、Cu、Pd、Ag、Au、Al、Pb）中高角度[111]对称倾斜晶界，揭示了所有材料中均存在的两类晶界（GB）相的普遍家族。结果表明，这些相主要受球体堆积几何结构和中程相互作用支配，而材料特异的成键物理仅影响GB自由能，不影响原子结构，表明fcc金属中GB相形成的高度普遍性。

ABSTRACT

Grain boundaries often exhibit ordered atomic structures. Increasing amounts of evidence have been provided by transmission electron microscopy and atomistic computer simulations that different stable and metastable grain boundary structures can occur. Meanwhile, theories to treat them thermodynamically as grain boundary phases have been developed. Whereas atomic structures were identified at particular grain boundaries for particular materials, it remains an open question if these structures and their thermodynamic excess properties are material specific or generalizable to, e.g., all fcc metals. In order to elucidate that question, we use atomistic simulations with classical interatomic potentials to investigate a range of high-angle [111] symmetric tilt grain boundaries in Ni, Cu, Pd, Ag, Au, Al, and Pb. We could indeed find two families of grain boundary phases in all of the investigated grain boundaries, which cover most of the standard fcc materials. Where possible, we compared the atomic structures to atomic-resolution electron microscopy images and found that the structures match. This poses the question if the grain boundary phases are simply the result of sphere-packing geometry or if material-specific bonding physics play a role. We tested this using simple model pair potentials and found that medium-ranged interactions are required to reproduce the atomic structures, while the more realistic material models mostly affect the grain boundary (free) energy. In addition to the structural investigation, we also report the thermodynamic excess properties of the grain boundaries, explore how they influence the thermodynamic stability of the grain boundary phases, and detail the commonalities and differences between the materials.

研究动机与目标

• 确定fcc金属中的晶界（GB）相是否具有普遍性，还是具有材料特异性。
• 研究原子结构、成键物理以及原子间势函数精度在GB相形成中的作用。
• 将模拟得到的GB结构与实验的原子分辨率透射电镜/扫描透射电镜（TEM/STEM）图像进行对比，以验证结果。
• 量化GB相的热力学过剩性质（如自由能），并评估其在不同fcc金属中的稳定性。
• 评估GB相的形成是源于几何约束（球体堆积）还是材料特异的电子效应。

提出的方法

• 采用经验多体原子间势（EAM）进行经典分子动力学和静态能量最小化模拟，研究Ni、Cu、Pd、Ag、Au、Al和Pb。
• 系统研究具有不同取向差角的高角度[111]对称倾斜晶界。
• 应用准谐近似（QHA）计算自由能，评估GB相的热力学稳定性。
• 将模拟得到的GB原子结构与实验的高分辨透射电镜（HRTEM/STEM）图像进行对比。
• 使用简化的模型对势，以分离中程相互作用对GB相稳定性的影响。
• 对原子间势进行仔细的数值验证，包括高精度插值表和样条插值，以消除势能二阶和三阶导数中的噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 在fcc金属中观察到的晶界相是否在不同元素间具有普遍性，还是具有材料特异性？
• RQ2 球体堆积几何结构和中程原子间相互作用在晶界相形成中起多大作用？
• RQ3 尽管电子结构和成键方式存在差异，是否可在多种fcc金属中观察到相同的GB相结构？
• RQ4 不同fcc金属中GB相的热力学过剩性质（如自由能）如何变化？其相对稳定性由什么决定？
• RQ5 材料特异的原子间势在多大程度上影响GB相结构，而非仅影响自由能？

主要发现

• 在所研究的七种fcc金属中均识别出两类截然不同的晶界相家族，表明GB相形成具有高度普遍性。
• 这些GB相的原子结构与实验的高分辨TEM/STEM图像高度吻合，证实了模拟结果的可靠性。
• 中程相互作用对于再现观测到的GB相结构至关重要；简单对势无法捕捉这些结构。
• 材料特异的成键物理主要影响晶界自由能，而非相的原子结构，表明结构具有普遍性。
• 在原子间势中发现的数值噪声——尤其在Al、Pd和Au中——被追溯至插值数据精度不足或截断函数突变，通过高精度重新插值得到解决。
• 采用机器精度插值构建的改进EAM势用于Al，使二阶和三阶导数平滑，从而提升了基于QHA的自由能计算精度。