blackcp的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/blackcp

博文

Dislocation in Solids 5.2

已有 412 次阅读 2021-4-30 20:11 |系统分类:科研笔记

5.2 倾侧GB的位错形核模型

5.2.1对称倾侧GB

    一旦晶格取向的影响被分离出来,界面强度模型发展的第二步是通过简单的关系,结合固有的纳米多孔性或自由体积Dc的一阶相关性

image.png··(16)

这里,ξ是放大系数,其大小取决于用于计算平均自由体积的选定界面区域的比例。这种表示只考虑界面周围条带内的平均孔隙率,而不考虑其沿界面平面的分布。这里,Dc是界面结构固有的初始自由体积[152]。在本例中,它是在施加拉伸变形(应力)之前通过原子模拟计算的。自由体积测量是通过检查每个原子的第一最近邻配位数来发展的。当然,完美的块状面心立方晶体排列中的原子具有12的一级配位数。在该方法中,少于块体晶的原子被定义为damaged的。以前对纳米晶体样品的分子动力学模拟[24]表明,晶界和三重结处的原子的配位数具有一个范围,意味着界面结构内存在初始孔隙。在这项工作中,damaged 原子可能直接归因于晶体区域之间的界面处的孔隙(除了热振动之外,已经发现热振动对300 K下的Dct计算的影响可以忽略不计)。利用这一概念,我们将每个原子的损伤参数表述为:

    image.png

    其中,是与完美晶格相关的配位数,是一个原子被认为是完全受损时(= 1 )所要求的阈值配位数,本文中的阈值配位数.然而,可以调整,来使得的计算敏感于不同类型的界面损伤。上式允许第 i 个原子有部分损伤,即,取决于其局部环境。尖括号定义了,当原子的配位数小于阈值配位数时,则,当原子配位数大于完美晶格配位数(FCC中为12)时,.自由体积度量被定义为界面区域上的点态损伤参数的平均值,

image.png

    其中,N‘ 是在界面区域的原子的总数目。数值上,eq。(18)可以在每个时间步长从原子位置进行评估,并且不需要界面结构或孔隙演化形式的相关知识。总之,所提出的拉伸界面强度模型要求晶格几何形状、相关的非Schmid参数μs和μp、初始界面自由体积和放大系数ξ的规格。晶格几何与自由体积之间关系的进一步发展将允许仅使用连续体量和上述非Schmid参数来计算界面位错成核所需的张应力。

    等式16的界面强度与<100>和<110>错向轴的界面模型的计算拉伸应力峰值相吻合。放大系数ξ被视为等式(16)中所需的附加拟合参数,来预测界面拉伸应力峰值。最小二乘回归拟合适用于界面模型。然而,MD模拟表明所提出的一阶模型不是普遍使用的,因为该模型不能捕捉含有E结构单元的对称GB的最大拉伸强度的下降。

    为了解决<110>倾侧轴界面的更大的范围,有两种解决方法:1、一个更高阶次的形式,包含界面区域自由体积梯度的依赖性。局域化的孔隙率,含E结构单元的界面的描述,导致了高的应力集中,而高的应力集中,贡献了通过促进位错形核而发生的拉伸强度的下降。第6.5节简要讨论了晶界自由体积空间分布的后续模拟及其对该范围晶界位错形核的影响。关于边界结构和自由体积之间相互关系的更多细节可以在参考文献中找到。[153].第二,自由体积测量的放大系数可以作为特定结构元素(结构单元?)分布的函数。这种修正承认不同的界面特征对位错成核过程的贡献不同。例如,Van Swygenhoven等观察到了在NC样本中,在边缘以及triple junction 处的应力集中可以促进位错形核。在我们的工作中,某些结构单元相对于主滑移系统的自然排列似乎使得某些界面特征特别容易受到位错成核的影响。对于这些边界,从分子动力学模拟计算的拉伸界面强度可能更接近于佩尔斯-纳巴罗应力(克服界面位错运动的晶格阻力所需的外加应力)。

6 Insights and implications

    目前关于双晶界面位错的结构和成核的工作阐明了与对晶界作用的基本理解有关的某些问题。在这里,我们讨论了在垂直于界面的单轴载荷作用下面心立方金属中位错成核的一些重要方面:(1)晶界位错源,(2)晶界内的缺陷表示为由向错偶极子或分离组成的有序结构,(3)铜中拖尾部分位错发射的拉压不对称,(iv)晶界位错成核的活化能和体积,(v)晶界自由体积对位错形核的影响㈥连续场理论。这种理解可能有助于理解纳米晶和多晶面心立方金属的行为。

    6.2 disconnections and the description of GB defects

    回忆第1.2节,大角度晶界界面的未变形结构可以用向错偶极子和结构单元模型来描述[62–68]。在这个框架中,少数结构单元被表示为楔形向错偶极子,而每个楔形向错的强度由相邻不同结构单元之间的角度变化来定义。为了描述位错发射后晶界结构的不可逆变形,Hurtado等人[104]考虑了两个理论模型。第一个模型考虑了在成核位置产生向错偶极子(与界面内的偶极子方向相反)。创建的偶极子的长度假定与界面偶极子的长度相同。第二个模型设想在成核位置产生位错,其具有与发射到晶格中的位错相同的Burgers矢量和相反的取向。Hirth和他的同事[69]提供了位错过程引起的晶界畸变的完整描述。例如,位错通过倾斜边界的传输导致在界面处形成“断开”,这可被视为限定高度的台阶和刃位错的叠加。从倾斜边界发射位错导致偏移台阶的产生,该偏移台阶可归因于已经离开边界的位错的半平面。根据台阶附近的局部结构,这种偏移可以描述为晶界位错(GBD)或断开。我们发现这种表述令人信服;通过本研究中的多维模拟,确定了与断开相关的偏移。例如,铝中位错发射的分子动力学模拟导致滑移面和晶界相交处的突出(图20),而铜中ISF面的发射在界面中引入了一个小台阶(图23)。

    image.png

image.png


图44显示了双晶界面(即我的36.87°GB)disclination dipole 和 disconnection模型的图解对比,的原本初始结构(没有ledges)涉及到均匀的C结构单元的分布,即,在未变形状态下,没有观察到disclination dipoles or disconnections。[16]中提出的扭曲界面的向错偶极子表示如图44(b)所示。界面上完全位错的成核伴随着局部晶格旋转,导致两个C结构单元的不对称膨胀。这表现为一系列交错的向错偶极子,跨越成核位置的界面边缘。注意,图44(b)中的变形构型是“理想化的”,以显示只有两个结构单元由于滑移过程而变形。实际上,位错成核点两侧的一些结构单元被稍微修改,以平滑地容纳在滑动面和界面的相交处产生的壁架。dipole内的每一个disclination的强度等于C和扭曲的C**结构单元角度的差,对于这个界面,该角度差约为10°-12°。disclination dipole的长度等于两个C**段的长度,如果在两个C**之间存在额外的结构单元,比如在高阶次CSL的B‘单元,那么可能要用两个dipoles来代表界面结构,每个偶极子与界面平面成一个角度[67]。从图20(d)和图44(b)中可以清楚地看出,C**扭曲结构单元的中心线没有沿着界面对齐(即,扭曲过程中的晶格旋转不是关于错误取向轴对称的)。因此,尽管向错偶极子模型捕捉了缺陷位置(C和C**单元之间的连接处)晶格旋转的局部变化和与晶界畸变相关的长程场的基本特征,但它不能真实地捕捉在位错成核位置产生的台阶的构象。Hirth等人[69]提出,这种类型的缺陷更适合归类为晶界位错,或者如果包括局部晶格旋转,则归类为断开。断开表示如图44(c)所示。

    disconnection 描述,除了在远离step的距离处相邻结构单元的局部旋转变形之外,还强调了晶界内的的ledge,因此提供了缺陷的更完整的表征。最后,Hirth等人[69]提出了两种可以消除disconnection的方法。首先,界面上半无限排列的位错的一半可以滑动以恢复对称边界,这种情况只可能发生在小角度界面上。二是断开本身可以平行于界面平面滑行,恢复低能边界构型。这项工作中的分子动力学模拟指出了消除界面处断开的第三种可能机制。当施加垂直于边界平面的单轴应力时,该应力垂直于代表界面边缘的位错的Burgers矢量,通过在每个晶体区域的相容滑移系统上的一系列局部位错成核事件来消除断开。如图23和24所示,这些位错成核事件有效地解除了界面处的分离,产生了完美的平面边界。

    

    在我们看来,结构单元和向错偶极子之间的区别在某种程度上是一个语义问题,因为前者显然也具有楔形向错偶极子对于低折射率倾斜取向差轴的必要几何特征。然而,基于向错偶极子与晶格曲率梯度相关联,这种区别可能被认为是有用的,晶格曲率梯度或者不对应于特殊(CSL)边界中的最小能量重复结构单元,或者响应于与边界的位错反应而演化。正如我们已经看到的,在位错发射过程中,负责的结构单元可以演化成一对向错偶极子,界面位错代表断开惯例中的一个步骤。此外,向错偶极子经常出现在一般边界和不对称倾斜边界中,它们通常比以重复结构单元占优势为特征的特殊边界具有更高的能量。

    6.5 晶界自由体积对位错形核的影响

    晶界自由体积的范围和分布可能在位错成核中起重要作用。例如,在边界上或在三个连接处的自由体积簇是第6.4节中计算的激活体积的顺序。此外,平均自由体积有助于关联从<100>和<110>对称轴晶界位错形核所需的应力。然而,回想一下,第5.2节中的界面应力模型不能捕捉到在具有E结构单元的对称倾斜晶界中位错成核所需的应力的突然下降。这个特殊的结构单元,E结构单元,与STGB有关,且对比于其他<110>对称轴晶界,该GB有着大量的自由体积。双晶模拟可以提供对晶界结构、晶界自由体积和来自晶界的位错成核之间的关系的洞察。先前的研究表明,边界内自由体积的数量和边界内自由体积的空间相关性都是在位错成核中起作用的重要因素[153]。

    对取向差的STGB,考察其结构和自由体积。这些结构是使用第2节中讨论的方法生成的。使用基于立体学的方法对自由体积进行可视化和空间相关函数表征,由此在原子坐标上三维叠加点网格,并对照自由体积标准对每个点进行测试[153]。这种方法使得Tschopp等人能表明,在的范围内,自由体积在倾斜方向上的间距和连通性,随着错向角的增加而增加。事实上,对于接近180°完美单晶的低角度边界,自由体积在倾斜方向上是完全连接的。

    自由体积的空间分布与位错成核有关,因为自由体积使得协同原子重排能够触发从晶界发射部分位错。

不仅空间分布很重要,自由体积相对于相交滑移面的空间分布也很重要。对于从晶界发生的位错成核,需要原子在与晶界相交的{111}滑移面上的协同运动。这很可能取决于沿着滑动面的自由体积的间距和连通性。例如,与滑移面相交的孤立自由体积口袋将只允许少数相邻原子中的局部原子洗牌。然而,与滑移面相交的大部分晶界自由体积影响了沿滑移面的更多数量的原子,使得在界面的位错成核所需的协同原子重排成为可能。

    此外,对于E结构单元边界[153],活动滑移系统(最大Schmid因子分析)出现在同一{111}滑移面(共面滑移)上,该滑移面沿倾斜方向与边界相交。因此,在倾斜方向上自由体积的空间相关统计对于讨论从具有E结构单元的边界的位错成核是必要的。




    





http://wap.sciencenet.cn/blog-3421400-1284550.html

上一篇:原子重排2:
下一篇:论文: 含有E结构单元的<110>STGB的结构和自由体积

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-6-17 03:42

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部