李纯鹏
论文:位错从GB形核的机理转变和强温度依赖性 & GB发射位错的原子机理
2021-4-17 21:32
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PRB,2016.09

摘要:加速MD揭示了C中GB处位错形核的强温度依赖性以及机理转变。在应力水平到达理想位错形核应力的90%时,在GB上的E结构单元处的原子洗牌作为了位错形核的先导过程(precursor),最终单一位错形核。在接近于理想位错形核应力的非常高应力水平下,多位错协同形核。在这些过程中,激活自由能与激活体积强烈依赖于温度。临界形核应力的应变速率依赖性被研究,结果表明,从shuffling协助的位错形核机理到协同位错形核机理的转变,发生在应变率从增加到。这个机理转变的发现,以及位错形核对温度的强烈的依赖性是以前传统的MD所没有发现的。

  1. introduction

      来自界面缺陷的位错成核主导了有限体积中材料的塑性变形,在有限体积中可能具有有限数量的塑性变形载体。1–4例如,表现出高强度的纳米晶体金属的塑性变形由来自晶界(GBs)的位错成核事件控制。5通常,位错成核是在局部应力集中区域释放能量的有效方式,局部应力集中区域,例如在位错传输过程中的GB、6脆性裂纹的尖端7、8和具有应变不协调的多晶材料中的三线 triple line。分子动力学是在原子水平上研究GBs位错成核的最佳工具之一。实际上,纳米晶金属10–12的位错成核介导的变形机制已经被分子动力学模拟捕获,这可以定性地解释实验观察。因为位错成核是在有限温度下的热激活的,应变速率控制过程,并且通常是速率敏感的,所以温度和应变速率敏感性应该在实际的时间尺度上仔细研究。因此,在本研究中,我们使用自适应增强分子动力学(ABMD)16,17加速了位错成核事件,并在有限温度下以原子级分辨率研究了位错成核,这为更全面地研究由界面缺陷引起的这些过程提供了机会。

      例如,分子动力学模拟显示,位错成核可以通过原子重排触发,原子重排具有应力辅助的自由体积迁移19、20,使用由一般GBs组成的纳米晶体模型,但其他许多分子动力学模拟也显示了没有原子重排的集体成核方式。21–23在这些分子动力学模拟中没有原子重排的一种可能性是,小活化体积的扩散过程,如重排辅助的位错成核,被分子动力学模拟的高应变率所抑制,和更容易位移的应力敏感的过程,在高应变率下,如协同位错形核,被激活,而不是扩散过程(原子shuffling?)。简单来说,传统MD的高应变率抑制了小激活体积的扩散过程(如shuffling协助的位错形核),在这样高的应变率下,激活了协同的位错形核。而在加速MD中可实现低应变率的情况,就出现了原子shuffling协助位错形核的过程(单一位错形核过程)。另一方面,由于一般GB有大的自由体积,局部原子结构更加无序,这种情况下,更优选扩散模式,因此,在前述的MD模拟中,shuffling就出现了。

      GB处不同的原子结构,通常会导致不同的位错形核响应,从而影响具有纳米尺度的纳米结构材料的整体力学性能。为了探究位错从GB 的形核,对称倾斜GB(STGB),Cu,该STGB完全由E结构单元组成,E结构单元包含有大量的自由体积。作为GB处的位错源,E结构单元的重要作用不止在特殊GB(如STGB)中讨论,也在拥有E结构单元的一般GB中讨论。

  2. model and simulation method

    A. 自适应加速MD和传统MD的建模

    双晶模型,55296Cu原子,尺寸,PPP, Z 方向施加单轴拉伸应力。

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    B.free-end nudged elastic band method

    用来计算0K时位错形核的激活能,由于0K时形核位错的临界尺寸比较大,因此使用了更大的模型18*16*18nm. 

    C. Adaptive boost MD method 自适应加速MD。

3. 结果和讨论

      传统MD下,300K,2.8GPa,该‘GB通过协同多位错的形核机理,发射不全位错,发生在ps的尺度上。

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    然而,在ABMD下,300K,2.5GPa,发生了shuffling协助的单一位错形核,在几秒的尺度下。这一结果表明,在较低应力下,洗牌辅助的单位错成核机制比集体多位错成核机制具有更低的自由能。各种位错成核机制的激活自由能对于理解哪种位错成核机制应该首先发生是至关重要的。为了验证两种位错成核机制之间的转变,我们使用FE-NEB方法28,29计算了机制活化能的应力依赖性。图5显示了0 K时活化能的结果。

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    在同一应力下,随着温度的升高,激活自由能急剧减小。随着温度从0K增加到300K,激活自由能从2.25ev降低到0.23ev, 降低了接近90%。激活自由能的显著差异表明在部分位错成核过程中有很强的温度依赖性。

激活体积:

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    激活体积随着应力的增加而减小,随着温度的增加而减少。

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    小的激活体积意味着,应力不能够再进一步有效地减少激活自由能

。然而,在激活位错形核中,温度有着重要的作用。随着应力的增加,在集体多重位错成核比洗牌辅助的单一位错成核在能量上更有利的应力下,激活体积急剧增加。位错形核过程变得与应力耦合,再一次的,激活自由能可有效地通过应力的增加而减少。由于强烈的应力依赖性,集体多位错的成核过程比洗牌辅助单位错的成核过程更“无热”。因此,洗牌过程对GBs位错成核能力的影响只能在模拟中发现。(在实验上做不到去除热的影响?)。洗牌辅助单位错成核的激活体积的温度依赖性随着温度的升高而降低(上图b中的斜率变化),与超细晶材料的实验一致。在本研究的成核过程中,部分位错从晶界处弯曲出来,这与超细晶粒铜的热激活机制相一致。

结论:

活化自由能对温度的敏感依赖性来自于大的活化熵,这可能是具有E结构单元的晶界位错成核的普遍现象。在较低应力下,由原子重排辅助的位错形核是优选的,而在较高应力下,非原子重排的位错形核主导发射过程。洗牌辅助的单位错成核模式不限于Sigma 9 STGB。


论文2:GB发射位错的原子机理

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摘要:本文研究了纳米金属晶界部分位错发射的原子机制。结果表明,在12和20 nm晶粒尺寸的样品中,含位错的GB在形变过程中通过局部原子重排和应力辅助的自由体积迁移可以产生部分位错。自由体积通常在相邻的三结中发射或吸收。这进一步表明,晶界位错周围的离域程度决定了原子重排是否能够将位移关联到发射部分位错所必需的Burgers矢量中。位错发射过程中原子构型的时间分析表明,部分位错的产生和传播可能是独立的过程。

  1. introduction

       该模拟工作的主要观察结果是观察到的转变,随着晶粒尺寸的增加,从基于晶界滑动的完全沿晶塑性变形机制转变为由晶界调节机制和位错活动组成的晶内变形过程组成。在室温下进行的分子动力学表明,GB调节机制可以通过原子重排和一定程度的应力辅助扩散触发的GB滑动来识别。9,10另一方面,在高于0.7 Tm的温度下进行的分子动力学表明了Coble蠕变机制。换句话说,GB滑动是由GB扩散控制的。

         在较大的晶粒尺寸下,观察到位错活动。在全三维GB网络,现在已经模拟到20纳米的晶粒尺寸,只观察到部分位错。它们总是从GB发射,通常靠近三重结。在Yamakov等人的工作中,在柱状直径高达70纳米的2D柱状网络结构中观察到16个全位错。

        本工作的目的是揭示GB发射不全位错的原子机制。结果表明,在观察到的情况下,晶界位错离解成部分晶格位错,同时改变了晶界结构及其位错分布。这种机制与经常观察到的情况,晶格位错吸收过程相反,在晶格位错吸收过程中,碰撞位错被完全或部分吸收到晶格位错中,从而在结构和晶格位错网络中产生局部变化。

  2. 样品制备

    V oronoi方法制备随机取向多晶,300K下弛豫100ps,

    灰色代表fcc原子,红色代表第一最近邻hcp配位原子,绿色代表其他12配位原子,蓝色代表非12配位原子。

  3. 不全位错的发射

    主要考虑晶粒13中的位错活动,图中示出了GB12-13,以及一个triple junction。图中显示了有载荷的12纳米样本塑性变形刚开始的时候,这种情况被称为弹性变形情况。GB傻瓜的结构单元用黄色圈了出来,GB面与(1,-1,13)面很近。晶粒12和晶粒13的倾斜角为24度左右,图1的视角是从晶粒13的[1-10]方向的,GB结构通过GB位错网,容纳了上述失配(倾侧24度以及扭转18°),

    12纳米和20纳米晶粒的塑性变形机制:不全位错的发射,自由体积的迁移,留下的层错,以及发射位错后,GB变得facted,GB被弛豫为更宽。

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    文中将上图黄色圈中的,称为晶界位错网GBD network。


    图2的视角是从晶粒13的(111)面看过去的,GB面距离该面不远,图1a中的(111)面已经用黑线示出。从视角的方面看,会发现一个约18°的扭转角。

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    对于这个错向,识别GB位错的(111)面是位于晶粒13中,这样的GBD被称为GBD类型A。而图3a显示了该GB的另外一个视角,包含于这个视角的两列原子位于晶粒13中,是图1B中箭头所示的两列原子,被编号为1。图3的视角方向由编号为2的箭头所指出来。这个视角方向沿着晶粒12的[1-10]轴,在这个方向上,可以观察到两个GB位错,这些被称为B型GBD,在这种情况下,由晶粒12中的额外(11-2)平面识别。因此,该GBD网含有两种GB位错类型:A和B。

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    为了识别特定GB的burgers矢量,并把它与晶格位错burgers矢量联系起来,依然是一个不清晰的任务。对于这样的GB,当对比于晶格位错时,GB位错被期望更少的局域化,因此相应的局部burgers矢量含量会是不同于那些晶格位错的柏氏矢量。而且,结构的无序和纳米级GB面的过小,使得难以使用例如弗兰克-比尔比方程进行精确的Burgers矢量含量分析。

    在这个样本的变形过程中,与TJ很近的A类型的GB位错,解离为shockley不全位错,其运动贯穿了晶粒13,。这可以从图1b中看出。在图1b中,2.3% 塑性变形应变下,GBD湮灭,两层(111)面的HCP原子表明,当不全位错运动后留下的固有层错,由于晶格位错的Burgers矢量与GBD的Burgers矢量不同,所以在GB中应该还会有其他类型的局部变化。我们现在将显示,不全位错的发射随着GB取向、GB结构和GBD分布的局部变化而发生。

    位错发射背后的原子机理如下:在所有GB的(包括GB12-13)变形滑移中。在本文中,我们识别了与GB滑移相联系的包含原子重排和应力协助的自由体积迁移的原子范围的活动。在GB12-13中,自由体积从临近的triple junction迁移,并且在施加在临近于TJ的A型GBD上的应力下,发生扩散。或者,等效地,来自GBD核心区域的两个原子迁移到GB内的附近位置。源自TJ线的自由体积的应力扩散如图4所示。这里,给出了一个垂直于GB12-13的视图,FCC原子被删去,值看得到GB原子,原子的位置是不全位错发射后的,因此可一看到留下的hcp层错双原子层。另外,该图显示出一个规则的GB结构模式,虽然不是一个特殊的重合点点阵~CSL结构,但仍然显示出显著的有序性。

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图4:部分位错从GB12-13中形核。对于2.3%塑性应变的构型,Fcc原子被删掉。暗黄色向量(>1.2埃)表示弹性变形后的原子位移。蓝色虚线表示周围的三结区。黑色箭头表示位错成核的区域。观察到应力辅助的自由体积迁移~较粗的暗黄色线条!来自附近的三结区。

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图5只显示了GB原子,以及(111)面上的形成层错的原子,以及原子的位移向量,自由体积的迁移可以通过从附近TJ开始的GB中较大的原子的位移向量来识别,并且终止于晶格位错成核/GBD区域。或者,在位错成核的替换序列的末端,两个原子向晶粒12的方向移动,这表明围绕GBD的局部原子重排允许为肖克利部分创建必要的Burgers向量。有趣的是,形核的不全位错不会马上传播,形核与传播这两个过程相差了约10ps,在此期间,在成核点周围出现少量的结构弛豫。

     在位错发射过程中,产生的滑移引起晶粒的重定向,因此也产生了GB12-13的重定向。在某种程度上,这反映在A型GB的去除上,此外,当沿着图2中的(111)面看时,在不全位错的发射后,可以看到晶粒13的(111)面的一个局部的重定向,使得GB扭转角变小。对图3的视察表明,B型GBD也出现了重新分布。变形前有两个B型GBD,在不全位错发射以及A型GBD移除后,产生了一个新的B型GBD。同时重新排列了已经存在于那个GB中的另一个B型位错。

    不全位错的发射和B型GBD的incorporation引起了局部重定向,产生了一个不同于初始结构的新的本征界面结构,由于总burgers含量的改变。对图1和图3的仔细观察表明,在不全位错发射后GB结构变得更加facted,表明该机理降低了GB的总能量。最近,在参考文献中也讨论了由原子重排和应力辅助扩散触发的晶界滑动过程中的晶界有序化趋势。这些结果表明了纳米GB的塑性变形机制中GB无序的有益作用(可以发射位错,容纳塑性变形,调节塑变),但也表明了塑性变形过程中硬化机制(GB能变低,更稳定,塑性变形机制缺失?导致硬化?)的存在。在参考文献25中。我们进一步表明,作为拉伸加载和卸载循环的结果,GB原子的内聚能分布向更负的值移动。

    如上所述,当晶粒尺寸从12纳米增加到20纳米时,观察到位错活性增加。20nm的晶粒也产生了类似的不全位错的发射,

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    图6展示了晶粒8-13-14的triple junction,两个不全位错已经被发射(由两层红色hcp原子可看出),第一个位错从GB12-13上距离三节点很近处发射。这个发射过程与前一段中描述的12纳米样品非常相似。第二个位错在晶粒12、13和14之间的三重结合处发射。两个成核区域都用黄色圆圈表示。这里,自由体积被“挤压”出晶粒8、12、13和14之间的附近四极,然后迁移到晶粒13和14之间的失配区域。

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弹性变形构型在~a中给出!显示了五个GBD的存在,用黑色圆圈突出显示。发出位错后的配置在~b中给出!这表明只剩下三个GBD了。很明显,部分晶格位错的成核都涉及GBD的离解和剩余GBD分布的修正。在GB13-14中,不全位错的发射也引起GBD的结构松弛和变化。这如图8~a所示!还有8~b!。GB 13-14的错向与完美的孪晶不远,因此GB弛豫到双平面楼梯结构,如参考文献所述。8,10,25。

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    在不全位错发射之前,GB包含接近三重结的GBD,其中颗粒13中的相关(111)平面由图8中的黄色空心圆圈指示。发射后,这个GBD消失了,双平面放松到更有序的结构。后者由位错发射后更大的单一红色平面的存在来证明。

    5纳米晶粒变形机制:没有位错发射,而是GB滑移

    我们现在看到的是相同的GB 12-13,但在平均晶粒尺寸为5纳米的定标样品中,没有观察到位错活动。塑性变形完全适应于GB:只观察到GBS,这是通过原子重排和应力辅助的自由体积迁移来实现的。

    图9~a!还有9~b!示出了变形之前晶粒12和13之间的GB,并且对于12纳米的样品,在与图1相同的方向上总应变为2.8%。可以观察到类似的A型GB位错,这是调节~111面之间的失配所必需的!然而,在变形时,GBD可以通过原子的移动而向上移动,而不会产生部分位错。

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    为了让这个更清楚,我们把~111编号了!图9中晶粒12和13的平面。在变形之前,GBD位于第8-10排晶粒13和第2-3排晶粒12之间。在变形过程中,GBD攀移到13号晶粒的6-8排和12号颗粒的1-2排。对原子位移的仔细检查表明,在一种情况下,在施加的应力下,存在大量的移动和自由体积迁移。而且滑动诱发GB迁移:对比图9~b!用9~a!可以看出,在变形之前,晶粒12中的平面4具有晶粒12的~111的取向!而在2.8%的载荷下,晶粒12的该平面部分地采取了晶粒13的111面的取向。

    四、讨论

    在外加应力的作用下,晶格位错的吸收是一个很好的性质,但也知道相反的机制,即晶格位错从晶格位错的发射也是可能的。23,26A参考文献中讨论了导致GBD分支发射的几种可能的位错反应。27.然而,对于发射过程和伴随发射的GB结构的局部变化,没有详细的了解。这主要是因为这种观察只能在高分辨率电子显微镜下进行,这种方法需要薄膜或楔形几何形状,因此很难区分固有特性和样品几何形状伪影。6,28

    在以前的工作8中,我们已经表明纳米晶样品中的GB显示出有序结构,与粗晶材料中已知的结构没有区别,包括GBD和石墨台阶等特征。我们还表明,局部激活的原子过程,即原子重排和应力辅助的自由体积迁移,是促进GB滑移效应的应力松弛机制。本文的一个重要观察结果是,失配区晶格位错形核的前兆是类似的原子活动(局部原子重排和自由体积迁移)。局部原子重排常常涉及自由体积从附近的TJ到GBD周围的失配区域的应力辅助扩散,这使得部分晶格位错的Burgers矢量得以“形成”!,导致了GBD的分裂。这是首次观察到GBS过程、其相关的原子尺度活动和来自GBD的初始PLD(不全晶格位错)成核之间的直接联系。

    我们进一步证明了PLD的产生,其中汉堡矢量不同于观察到的GBD。值得注意的是,在12纳米的样品中,在不全位错的产生和传播之间观察到很短的间隔,这表明两个过程所需的应力是不同的,以及通过产生PLD局部弛豫GB的重要性。在随后的PLD的传播中,在晶界区域内发生进一步的结构弛豫,特别是在部分位错撞击晶界的这些区域。在随后的PLD的传播中,在晶界区域内发生进一步的结构弛豫,特别是在部分位错撞击晶界的这些区域。由此产生的晶粒间滑移可以被纳入晶界的导致相邻晶粒的错向变化,从而在原子水平上进一步改变结构。

    这些观察解决了问题:1.为什么在粒径为5 nm和~2的样品中没有观察到分支?2.为什么在晶粒尺寸高达20纳米的3D样品中只能看到部分位错而不能看到完全位错。我们认为,这两个问题的答案都在于在变形过程中观察到的原子活动,以及伴随着PLD的产生和传播的原子活动。在目前的工作中,在12和20纳米样品中看到的许多错配区域也存在于5纳米晶粒尺寸的样品中,然而,正如预期的那样,没有观察到位错活动。我们所看到的是,在GB和TJ区域内,对于给定的塑性应变,原子尺度活动明显更多。我们认为,由于空间限制,与12和20纳米样品相比,5纳米样品中的GBD不匹配区域较少。我们强调,通过这一点,我们并不认为随着晶粒尺寸的减小,GB结构发生了根本变化,而是不匹配区域的连接水平和密度导致了更多的离域GBD。非定域化通过GBD效应阻碍了位错成核,但是通过局部移动和应力辅助的自由体积迁移有利于GBD的爬升,因此有利于塑性变形的GBS机制。此外,广泛的原子活动可导致晶粒间剪切的减少,从而进一步降低位错活动的可能性。

    值得注意的是,即使在20纳米的晶粒尺寸下,与原子活动引发的GB滑动相比,偏晶对观察到的塑性的贡献很小。随着随后的GB弛豫和在部分产生期间GBD阵列分布的变化,特别是在位错已经成核的GBD附近,越来越清楚的是,从结构和能量的角度来看,不存在发射第二个拖尾部分的先验原因。

5结论

成核过程是通过原子重排来促进的,通常是通过从附近的TJ发射自由体积来促进的——换句话说,相同的原子活动也被认为是构成了GB滑动过程。成核和传播引起合成GBD分布的变化,并且在晶界和附近的晶界上观察到额外的结构弛豫。从时间分析来看,有迹象表明成核和传播在时间上是分开的。对于增加的晶粒直径,可以看到部分位错活性的增加,但是没有观察到完全位错,这可能是由于部分位错发射后的后续结构弛豫。在较小的颗粒尺寸下,可以观察到相同的GBD的现象。它们经历了明显更多的原子尺度活动,导致GBD的爬升而没有不全位错的产生,这表明GBD的更加离域,因此通过原子洗牌的GBD运动被促进,GBD的关联进入部分错位被阻碍。





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