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文|焉子看世界

编辑|焉子看世界

前言

晶界和位错在理解多晶材料的变形行为中起着重要的作用，变形过程中位错和晶界运动之间的相互作用通过位错提取算法来监控。

结果表明，铜中的位错在晶界附近形核，镍中的形变从平面滑移带变为波状带，等摩尔铜镍合金中观察到高密度的位错积累以及大量的扭结和点蚀形成。

化学与材料科学中的分子动力学模拟方法是什么?

模拟方法和条件

在一个200 × 200 × 200的小室中建立了铜、镍和等摩尔铜镍合金的多晶结构)通过Atomsk软件使用Voronoi镶嵌方法(VTM) ，第一个晶粒被定位在原点，并且被定向在X = [100]，Y = [010]，Z = [001]方向。

为了产生具有各种取向的其他晶粒，所有晶粒都被设置为具有与Z方向对齐的[001]轴，并且每个晶粒都围绕Z轴随机旋转。通过在具有不同取向的每个晶粒之间插入1/2 <110 >完全位错来建立晶界。

晶粒向x方向伸长，以便当在该方向施加剪切应力时能够更容易地跟踪位错运动，每个多晶体晶胞从下到上分为三部分：固定原子、热控原子和牛顿原子。固定的原子由2层原子组成，它们被保持在完美的晶格位置，以防止细胞在变形过程中移动。

中间热控原子由6层原子组成，每5个时间步长由Berendsen恒温器重新校准，以将系统温度保持在恒定的温度范围内。其他原子主要是单元中间部分的原子是牛顿原子，其厚度足以确保它们在变形过程中可以容易地移动。

利用开放代码的大规模原子/分子大规模并行模拟器对变形过程进行了分子动力学模拟22]在大约100 ps的NVT热力学条件下。时间步长设置为1 fs，使用蛙跳算法确定半整数时间步长的速度，以计算原子的新位置。

使用嵌入原子方法势来定义原子相互作用，模拟单元分为三个部分；上下部分的原子是固定的，而单元中间部分的原子在变形期间可以容易地移动。在变形过程之前，系统的能量被最小化。在上部以0.05米/秒的变形速度施加剪切应力Y轴。

采用位错提取算法(DXA)和共邻分析(CNA)技术来跟踪晶界的运动、位错相互作用、位错长度和堆垛层错(SFs)的形成。

利用开放式可视化工具(OVITO)可视化了体系结构参数和原子势能的变化25,26].在模拟过程中绘制了应变-应力曲线，使用径向分布函数(RDF)分析了晶界原子之间的原子团簇结构，最后使用wign er-Seitz分析评估了变形过程中空位的形成。

然而，随着模拟时间的增加，铜中的位错几乎在晶界周围聚集和交织。在镍中，在较短的时间内，在晶界周围产生的位错密度比铜高，并且在较高的时间内观察到更多的肖克莱位错的弯曲效应。

这一现象表明，平面滑移带是在变形的早期形成的，随后变形机制是波状滑移带。有趣的是，在较小尺寸的晶粒中，位错核更容易从晶界移动到晶粒侧。

其中是弹性模量，b伯格斯矢量的大小，L是钉扎点之间的距离，τ，c是位错向外弯曲所需的应力。基于该公式，与铜相比，观察到镍的强烈位错弯曲效应的主要原因是镍的弹性模量更高。

与铜和镍不同，在较早时间步骤的等摩尔铜镍合金样品中，位错没有在晶界周围聚集，相反，在晶粒内部观察到不规则的位错网络。

位错交滑移涉及的两个主要过程如下：第一，直接位错运动穿过晶界；第二，晶界处剩余位错的扩展和再成核，等摩尔Cu-Ni合金晶粒内位错密度的高积累是由于在朝向晶粒的不同方向上形成了大量剪切带。

在随后的模拟中，当位错向相邻晶粒交叉滑移时，新的晶粒边界充当屏障，导致位错的更高累积。在所有多晶结构中，较大的晶粒比较小的晶粒更容易使被钉扎的位错弯曲，因为两端被钉扎的位错传播所需的应力与被钉扎距离的倒数成正比。

为了更清楚地了解哪些因素加速了等摩尔铜镍合金中位错的成核，模拟早期阶段合金的位错和原子结构的图像。

位错成核的主要驱动力来自三个方面，首先是较小尺寸的晶粒，因为较小晶粒中的应力累积更严重，第二个是晶界中的三接合点。

实验表明，这些区域是高流体静压应力的中心，这加速了位错成核速率，第三是具有低取向差的晶界，当晶粒间的取向差太高时，没有位错形成。

等摩尔铜镍合金

铜、镍和等摩尔铜镍合金的1/6 <112 >肖克莱位错的位错长度。在等摩尔铜镍合金中观察到最高的肖克莱位错长度，在铜中观察到最低的肖克莱位错长度。

在铜的情况下，肖克莱位错长度随着应变的增加而逐渐增加，并且在高于0.3的应变下几乎保持稳定。在镍中，与铜相比，肖克莱位错长度迅速增加，并在较低应变下保持稳定。

在等摩尔铜镍合金中观察到相同的趋势，但是，在较低应变下肖克莱位错长度快速增加之后，位错长度在较高应变下继续略微增加；然而，它以低得多的速率这样做。

等摩尔铜镍合金中间隙原子的存在将为位错运动提供不同能量的势垒，因此，位错不会沿一个方向运动，而是在整个晶粒中扩散，最终导致位错长度增加。

该趋势非常类似于肖克莱位错长度的趋势。这意味着肖克莱位错的形核对阶梯位错的形成起着重要的作用。

得一提的是，梯级棒是两个堆垛层错带尖端的Lomer–Cotrell位错，其另一侧与肖克莱部分相邻，需要更高的运动能量。据信，等摩尔铜镍合金中不同原子半径的原子的存在产生晶格畸变，这可以作为位错交叉滑移的障碍，并导致更多Lomer–Cotrell位错的产生。

等摩尔铜镍合金在100皮秒时位错相互作用的内部视图，当具有不同滑移系的位错相互平行时，它们在属于不同滑移系的滑移面的交点处反应，导致形成各种结。

在该结构中形成了两个主要结:具有< 110的Burgers矢量的Lomer锁(显示为粉红色)和具有< 110的Burgers矢量的Hirth锁(显示为黄色)。Lomer锁形成的概率高于Hirth锁。结果表明，当结构中的肖克莱部分位错密度较高时，Lomer锁的形成更加明显。

另一方面，位错弯曲也增加了在结构中形成任何类型结的可能性。等摩尔铜镍合金中的结将两个或多个位错结合在一起。当更多数量的位错被束缚在一起时，塑性变形将更加困难。

镍、铜和等摩尔铜镍合金的应力-应变曲线如所示，在多晶铜中，剪切应力随着应变的增加而逐渐增加。在高应变率下没有稳定的剪切应力意味着位错密度非常低并且在结构中没有饱和。

在多晶镍中，在0.2应变之后，在稳定状态之前观察到剪切应力的突然增加，并且在0.4应变时，剪切应力以更高的斜率逐渐增加。

在较高应变下，等摩尔铜镍合金中的剪切应力高于铜和镍。这种合金在0.23应变下剪切应力的突然增加是由于位错滑移效应。相信等摩尔铜镍合金中较高数量的结是这种行为的主要原因。

在等摩尔的Cu-Ni合金中，剪切应力在高于0.45的应变下增加。在变形过程的最后一个时间阶段，晶粒内部位错的强烈弯曲效应和位错饱和使滑移面的运动停止，导致应变高于0.45值时的高应力。

令人惊讶的是，尽管在较低应变下形成梯级位错，剪切应力在较高应变下增加，这表明阶梯位错的形成不会立即影响剪切应力。

基于应力-应变曲线的结果，可以说镍和铜多晶体的硬化机制是基于泰勒硬化理论，该理论宣称剪切应力随着应变速率逐渐增加位错密度和剪切应力之间有直接的关系。然而，等摩尔铜镍合金的变形行为并不遵循这一理论。

合金中空位数量

在多晶铜、镍和等摩尔铜镍合金中形成的堆垛层错的数量示于，HCP(显示为红色)和无定形结构(显示为白色)在晶界周围的等摩尔Cu-Ni合金中形成得更明显。等摩尔Cu-Ni合金在晶界附近形成高密度非晶结构，表明该合金具有抗塑性变形能力。

等摩尔Cu-Ni合金中堆垛层错的显著宽度是由于在晶界附近形成的肖克莱位错容易移动，并在早期阶段向晶粒移动堆垛层错的形成也对合金的变形行为起主要作用，因为不同堆垛层错取向相互交叉并形成阻碍新位错运动的障碍。

堆垛层错交叉的数量增加，直到没有位置留给位错运动。这是在等摩尔Cu-Ni合金的应变-应力曲线中观察到的巨大滑动阶段的主要原因，因为位错运动受到堆垛层错的阻碍。

变形过程中在铜、镍和等摩尔铜镍合金多晶体中形成的空位的数量，在低应变下的铜中，多晶体中形成的空位数量增加，在0.15–0.3应变之间减少，然后在更高应变下再次增加。镍多晶体也观察到类似的趋势，不同的是在较低的应变范围内(0.04–0.1)，空位数量减少。

这实际上是由于在这些多晶体中，晶界周围的滑移面更活跃(这已经通过晶界周围的位错过饱和观察到),因此导致晶界成为空位下沉的理想来源。有趣的是，在更高的应变下，在每个多晶体结构中形成的空位的数量达到几乎恒定的值。

合金中空位数量的增加将促进位错攀移过程，结果，位错长度增加，滑移面继续向各个方向移动，导致形成不规则的位错网络。

为了清楚地了解变形影响原子偏析的方式，在变形前后的晶界网络中计算了多晶体上Cu-Cu和Ni-Ni原子对的径向分布函数。在模拟过程之前，每个多晶体中存在的尖峰指示晶体结构。

然而，峰强度的降低和增宽效应表明晶界周围的原子偏析，Picard等人通过分析镍多晶体晶界网络中的径向分布函数研究了镍多晶体的变形机制，得到了类似的结果，通过比较铜和镍多晶体的RDF结果，可以看出在铜。

有趣的是，比较等摩尔Cu-Ni合金中Cu-Cu和Ni-Ni原子对的RDF结果显示，Ni-Ni溶质相互作用比Cu-Cu溶质相互作用更强烈，并且Ni溶质原子具有非晶排列。

另一方面，由于变形后Cu-Cu的峰强度减少较少，并且在较高距离处存在一些峰，可以说铜晶体的纳米簇分散在镍簇的非晶相内。

通过追踪晶界周围位错的运动，进行了分子动力学模拟以理解Cu、Ni和等摩尔Cu-Ni多晶合金中的变形机制。结果表明，在铜和镍多晶体中，位错集中在晶界附近。然而，在等摩尔Cu-Ni合金中，由于在不同方向上形成大量剪切带，观察到晶粒内位错的高密度聚集。

位错开始在具有几乎相同取向的晶粒、最小晶粒和连接两个以上晶粒的点之间成核，在镍和铜多晶体中，硬化机制基于泰勒硬化理论，该理论宣称剪切应力随着应变速率逐渐增加。然而，等摩尔铜镍合金的变形行为并不遵循这一理论。

晶界是铜和镍多晶体中空位下沉的理想来源，但在等摩尔铜镍合金中，结构中形成的空位数量不断增加。

等摩尔Cu-Ni合金中Cu-Cu和Ni-Ni原子对的径向分布函数结果表明，镍原子比铜原子偏析更严重，表明变形后铜晶体的纳米团簇分散在镍团簇的非晶相内。

参考文献：

基于分子动力学模拟的路用相变材料选择 刘福军; 田鑫; 梁美琛; 郭猛 中外公路 2023

纤维水泥基复合材料性能及分子动力学模拟 陈亮 山西建筑 2023

深层页岩蒙脱石表面水化抑制机理的分子动力学模拟 李东波; 李广洲; 刘秦龙; 芦苇 矿业科学学报 2023