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回顾已读GB迁移的论文总结

已有 894 次阅读 2021-11-4 21:23 |个人分类:论文|系统分类:科研笔记

    如今已进入到硕士研究生阶段的尾声,却从未对自己读过的论文做过总结,实在是遗憾。

    今天就主要针对晶界迁移,晶粒旋转,晶粒粗化,GB耦合迁移方面,所阅读过的文献做一个总结,先依据阅读时间来做简单提炼。然后做一个汇总,让自己在这方面有个更全面的认知和了解。

    1. coupling between grain growth and grain rotation , APL,M.winning,2007,

        cahn理论:任何GB的运动都将引起相邻晶粒的相反的切向运动。即GB运动必伴随晶粒旋转。

    晶粒生长和再结晶过程中的GB运动被认为是原子扩散过程,这可伴随晶粒的旋转;另外,位错运动和蠕变也可引起GB运动。蠕变机制可能与晶粒旋转有关,研究了GB迁移和晶粒旋转之间的耦合。

    部分晶粒的收缩,会使得界面处的位错湮灭,而位错密度不变,因此错向角不变,晶粒未旋转。

    结论:GB运动不一定与可能引起晶粒旋转的GB的切向运动耦合,这取决于GB的位错结构和错向角。

        image.pngimage.png

2. Effects of boundary inclination and boundary type on shear-driven GB migraiton 2007,philosophical magazine H. Zhang

探究了剪切耦合GB运动的普遍性,研究了特殊倾角(低Sigma)和一般倾角(非)的GB。对于剪切耦合GB运动和GB滑移,存在两个临界应力。对一般GB而言,剪切耦合GB运动的临界应力小于GB滑移的,所有GB都有剪切耦合运动。对特殊GB而言,临界应力小一些,取决于inclination,在一些inclination下GB有剪切耦合运动。

对界面迁移,其热动力学驱动力有:毛细作用(曲率驱动界面迁移);沿GB的位错密度差异(基本再结晶过程);沿GB的弹性能差异(扩散诱导的GB迁移)。

不对称GB的剪切过程中,临界应力要大于对称GB的。33.87GB(非Sigma)的临界应力小于36.87GB的,表明GB上的高的原子密度,使得剪切耦合运动的发生更加容易。

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3. Grain rotation mediated by grain boundary dislocations in nanocrystalline platinum nature communication wanglihua,2013

晶粒旋转在高温变形和多晶金属的再结晶过程中是常见现象,也是低温下小晶粒的塑性机理。在铂薄膜的拉伸载荷下,发现了塑性机理的转变,尺寸大于6纳米中为cross-grain dislocation的滑动;而小于6纳米中为晶粒的协同变形。  该机理显示,晶粒旋转是位错在GB处的攀移,而非GB滑动或扩散蠕变。我们的HRTEM的原子图直接展示了,相邻晶粒的错向角的变化可以定量归因于GB处的Frank-Bilby位错含量的变化。

  晶粒尺寸越小,晶粒旋转越明显,在应变过程中,在小晶粒中未发现位错及其活动。

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GB13处位错朝着TJ攀移,位错在TJ处湮灭,GB13位错减少,GB角变小。并且,这些晶粒同时晶粒了旋转的过程,因为各晶粒对同一个晶粒都有着不同的旋转角。

晶粒1被大角度GB包围,随着应变的增加,GB13,GB14从大角GB变为小角GB,GB13消失,GB14变为大角GB。晶粒1的持续旋转和倾斜使得GB和TJ消失。

    低温下晶粒的旋转是通过GB上位错含量的变化完成的,该机制已经被Frank, Bilby用公式表述。

image.png 位错的Bugers矢量的刃分量导致了晶粒的旋转,而螺旋分量导致了晶粒的inclination。

在大晶粒 D>11 nm 中,有很多全位错,D~6-10纳米,因不全位错的通过而导致的层错有很多。

本实验中薄膜厚度仅为几个晶粒尺寸,这样较小的层厚可促进晶粒旋转,因为有大的自由表面积。


4. In Situ Observation of Dislocation Behavior in Nanometer Grains,PRL,2010,wanglihua.

在原位TEM试验中,观察到了,10*13nm的晶粒中的权威错的运动和交互,Lomer位错锁的形成破坏与再次形成。


5. Mechanically driven grain boundary relaxation: a mechanism for cyclic hardening in nanocrystalline Ni,Philosophical Magazine Letters T.J.Rupert.

循环机械载荷,可通过耗散系统能量和原子能来弛豫非平衡的GB结构,导致了更高的强度。主导这些材料变形的GB过程允许在循环过程中通过运动不可逆的结构变化发现低能边界构型,这增加了随后的塑性变形阻力。

    低温退火可在不影响晶粒尺寸情况下,消除GB缺陷,提高强度。

    Vo 等将弛豫强化与GB处原子数目的减少联系起来,尽管他们也观察到退火过程中平均原子能的下降。Hasnaoui 等也发现了退火计算的NC样本GB能的下降和强化效应。此外,Hasnaoui et al 观察到塑性变形的样本展现出类似与退火后的弛豫了的GB结构,

耗散能量的一小部分用来放松系统能量,随着弛豫的进行,松弛系统越发困难;尺寸越大,弛豫越困难。塑性变形使得晶粒旋转,使得界面变为共格。GB原子数目减少,能量变低。

Moser et al. 在电沉积NC d=40nm的多晶镍中发现了循环硬化效应,使用拉伸变形,归因于GB位错源的耗用枯竭。 在机械循环过程中发现了低能量构型,要么是通过GB特征的alteration,要么是国标内部的微妙重排,从而减少边界处的局部应力集中,使进一步的塑性变形更加困难。


6. Plasticity-induced restructuring of a nanocrystalline grain boundary network,Zhiliang Pan, T.J.Rupert.2016,Acta

控制纳米晶金属塑性变形的晶界介导机制会导致晶界网络的演化,因为它们直接改变了晶体间的取向关系。不幸的是,由于空间和时间分辨率的限制,目前的实验技术无法跟踪这种进化。本文利用分子动力学模拟方法研究了纳米Al晶体在单调拉伸和循环加载过程中的晶界重构。这一任务是通过创建新的原子数据集分析工具实现的,原子数据集允许对晶粒边界网络的微观结构描述符进行完整的表征和跟踪。提取并分析了晶界特征分布、三结类型、晶界平面法线等界面网络特征的定量测量结果。结果表明,纳米晶的塑性导致了特殊边界占比的增加,以及二维边界连通性的破坏,最显著的演变发生在最小晶粒尺寸.

    通过GB介导的塑性可以使GB网络结构发生演化。Upmanyu et al使用MD显示,同时发生的晶粒旋转和GB迁移使得系统的界面能降低。大的错向角和高的GB能往往导致高的GB旋转和迁移速率。在多晶中有一些协同的重排塑性机制。Hasnaoui et al.在恒定拉伸应力下,d=5nm的多晶镍中,发现了通过协同的晶粒旋转(晶间滑移引起的)导致的界面滑移面的对齐。Rupert[14]还观察到在模拟Ni中相邻晶粒的集体旋转(d = 3 nm),报告了在纳米线样品中扩展的剪切局部化路径的发展,这些作者注意到晶界能的整体下降,这表现为在微观组织内出现了几次旋转诱发的孪生和低角度晶界的合并。总的来说,先前的研究表明,在极细晶粒的塑性过程中,晶界网的长程演化很可能发生。Bober et al.提出,承受热机械循环处理的纳米晶镍薄膜(d=23nm,)将增加其Sigma 3 边界的含量,并同时优化已存的Sigma 3 边界到更加完美的错向。

 在这项工作中,定量分析了单调和循环塑性变形过程中的晶界网络及其演变。由于实验技术缺乏这种测量的时间和空间分辨率,分子动力学被用来模拟变形,而新的分析工具被用来量化重要的晶界特征。通过研究跨越霍尔-佩奇击穿的两种晶粒尺寸,我们发现更细的纳米晶粒尺寸在塑性过程中经历了更多的晶界网络演变。此外,网络重构的幅度高度依赖于温度。从这项工作中可以得出几个重要结论:

    对于d=5nm, 单调塑性和循环塑性都使特殊边界分数增加了。通过延长现有边界和创建新边界段,增加的大部分与较高的Sigma 3 和 Sigma 1 边界分数有关。特别是对于这 Sigma 3 个边界,在循环过程中,错误取向减少,通常会发现低能(111)边界面。还观察到类似的由 facets 创建低能界面的。对这些低能晶界类型的偏好表明,晶粒结构正在重新排列,以降低系统能量并找到更稳定的构型。

    对于d=10 nm样品,可忽略j结构重组。这种演化的缺失可能与集体塑性机制(如晶粒旋转)的激活减少和位错活动的增加有关。

    即使改变用于创建起始微观结构的方法,即改变特殊边界含量的初始分布。在高温机械循环过程中,发现小晶粒尺寸的Sigma < 29 的GB分数持续增加。所有样品都会形成低能3和11边界。

    退火也会导致系统能量的降低,但在形成的特殊边界类型和形成机制方面存在重要差异。S3边界因曲率驱动的晶粒生长而延长,平行于(111)孪晶面的随机边界的快速迁移大幅增加了S3含量.

    本研究表明,与纳米晶金属相关的集体变形可以导致晶界网络的演化和重组。因此,晶界网络在最小的纳米尺度上是非常动态的,通过新机制进行晶界工程对于这些材料来说是一种有趣的可能性。


7.  In situ atomistic observation of disconnectionmediated grain boundary migration nature communcation, 2019,zhuqi,dengchuang, wangjiangwei

本文中,在金双晶中原位剪切测试中系统地研究了共格的剪切耦合现象。GB的剪切耦合现象是通过一层一层形核的disconnection的横向运动实现的,包含单层和双层的disconnection,通过其频繁的组合和分解。我们进一步证明了disconnection mediated GB migration是完全可逆的,在相反的剪切载荷周期下。TJ作为GBdisconnection的有效形核位点。

introduction部分

    目前,对于剪切耦合运动,已有好多个模型,如,(displacement shift complete)DSC位错(也被认为是disconnection)的横向运动模型,从Read和shockley的对小角GB的描述扩展开来的Cahn模型,纯shuffling模型(认为大角GB的迁移由局部保守的原子shuffling来完成)。最近,剪切迁移几何模型,被用来解释实验中低的耦合因子,因此它更使用于来量化在实际多晶中基于GB的塑性。

    例如,在金和铝薄膜的0.4-0.7Tm的原位热实验中,显示了通过atomic shuffling or GB disconnection机理实现的热诱导的GB迁移。本文使用金双晶共格来研究其原子机理。此GB为一个代表性的低能<110>倾侧GB在块体FCC金属中,其GB能仅仅高于共格TB。我们再一次证明了disconnection-mediated GB migration是一种通用的变形现象在不同结构的GB中。TJ可作为GB disconnection的有效形核位点。

discussion部分

        目前关于disconnection介导的GB迁移依然有相反的结论,尤其关于不同的类型的GB disconnection。据本文的实验观察,预先存在的缺陷(如全位错 或 层错),对disconnection-mediated GB migration的影响非常有限。特别地,disconnection与预存缺陷之间未发生交互以及disconnection configuration的变化当disconnection移动经过预存GB位错或晶格位错时。 这种独特的现象可能来源于小的disconnection的移动只承受很低的晶格阻力,

    然而,需要注意的是,多种因素(GB结构,loading condition和温度)都可能影响disconnection configuration, 而它的结构影响着其动力学行为和与缺陷的交互。例如,高温加热可诱导其他类型的disconnecton,在不同的GB核结构下,有着不同 congifuration 的 disconnection。

    在循环载荷下,disconnection介导的GB迁移是高度可逆的。disconnection活动可以用来解释不同类型的GB(如<001> & <110>倾侧GB)迁移。但是本文揭示的机理不能代表所有种类GB的迁移,由于实际晶体中的许多GB不能仅用disconnection来刻画。而且,


8. Stress-assisted grain growth in nanocrystalline metals: Grain boundary mediated mechanisms and stabilization through alloying,2017,Acta, Zhangyang,

    使用MD探究了纳米压痕的Ni和Ni-1%P的应力辅助GB迁移作为不同晶粒尺寸和变形温度的函数。对于d=3nm的NC Ni,晶粒聚并被限制在压头下方的高应力压痕区域内。根据晶内和晶界的平均微旋组分量,晶粒取向和原子位移向量图证明了晶粒聚并是通过晶粒旋转和GB迁移完成的。而d=6nm的含1%P的Ni 样本消除了应力辅助的晶粒生长。在晶粒聚并缺失的情况下,变形被GB介导的位错塑性和热激活来容纳。通过在GB处增加溶质,晶格和晶界中观察到的温度依赖性变形行为发生了反转,表明根据边界化学和变形温度,位错和晶界塑性的个别过程将表现出不同的活性。





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