扭转晶界

冶金工程领域术语

晶体两部分沿垂直于界面轴旋转一个角，形成扭转晶界。扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。纳米晶粒尺度金属多晶体具有优良的力学性能，如高强度、高韧性，因而，纳米晶粒尺度下的金属多晶体的理论和实验研究已经成为关注的热点。该尺度下晶界影响其力学性能，一方面晶界阻碍位错运动，引起界面强化，提高其强度；另一方面晶界可以吸收位错和发射位错，提高了其塑性力学行为，所以，对晶界性质的研究已经成为重要的研究方向。

简介

晶体两部分沿垂直于界面轴旋转一个角,形成扭转晶界。扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。纯粹的倾侧晶界和扭转晶界是晶界的两种特殊形式。一般晶界的旋转轴和界面可以有任意的取向关系，所以实际上小角度晶界是由二维(平面分布)的位错网络所构成。

纳米晶粒尺度金属多晶体具有优良的力学性能，如高强度、高韧性，因而，纳米晶粒尺度下的金属多晶体的理论和实验研究已经成为关注的热点。该尺度下晶界影响其力学性能，一方面晶界阻碍位错运动，引起界面强化，提高其强度；另一方面晶界可以吸收位错和发射位错，提高了其塑性力学行为，所以，对晶界性质的研究已经成为重要的研究方向。实验研究发现纳米晶粒中，晶界处发生的位错形核和位错扩展在金属晶体变形过程中起主导作用；然而迄今为止纳米尺度实验技术发展的限制性制约其发展，利用原子模拟的方法去研究纳米尺度的力学现象成为重要的研究手段。

作用

因为物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。界面层的克分子自由能较内部大，简称界面能。单位界面面积上的界面能称比界面能，即增加单位界面面积所需的功。

失配位错的形成

近年来，晶界中的失配位错成为关注的重点，周耐根等运模拟了负失配条件下的外延铝簿膜中失配位错的形成，发现材料界面上的失配位错网结构影响位错运动以及位错间的交互作用，进而影响晶界的力学性能。一些研究者陆续得到了纳米晶体的孪晶晶界、对称倾侧晶界、非对称倾侧晶界的塑性行为。刘小明等研究了单向拉伸作用下单晶Cu扭转晶界的塑性行为，给出了扭转角度与拉伸强度的关系，同时得到了Cu单晶柱的理想强度。通过研究可以发现，晶界上的失配位错网影响着位错的形核以及位错间的相互作用，失配位错网的结构和其变形机制对晶体材料的制备和加工具有重要的指导意义。

模拟过程

A 和B 两个晶粒组成的双晶体，Z 方向为两个晶粒的[100]方向，晶界为扭转晶界，θ 为两个晶粒之间的扭转失配角度，上下两个晶粒分别沿[100]轴分别旋转θ 2和−θ 2形成初始构型。x，y，z 方向均采用自由表面边界条件，晶体Cu 原子之间的作用势能采用Mishin 等提出的嵌入势能（EAM），模拟过程分为两个步骤完成：

第1 步，生成稳定初始构型。首先生成两个单晶元胞，然后将其沿[001]轴旋转生成具有扭转晶界的双晶体，最后对生成的双晶体采用共轭梯度法弛豫使其达到能量最小的稳定构型。

第2 步，采用等温正则系综，对稳定的构型进行加载。为避免温度对剪切载荷过程位错的热激活的影响，在模拟过程中，采用Nose-Hoover 热浴将系统调节在比较低的温度1K 附近。减小加载的边界效应，选取[100]方向底部和顶部的4 层原子分别为加载原子层。在加载过程中，每个原子的运动采用蛙跳积分求出其速度和加速度，时间步长取为Δt =1.5×10−3 ps。每次沿[010]方向施加 0.48%的单向剪切应变，然后弛豫1000 步，重复此剪切、弛豫过程100 次，直到加载完毕。

总结

Cu柱的屈服强度随着扭转角度的增加先升高后降低，临界角度0θ 约为13 度，对于低角度扭转晶界（扭转角小于0θ ），Cu 柱的屈服应力随着扭转角度的增加而增加，此时晶界的强化机制表现为晶界处发生位错形核；对于高角度扭转晶界（扭转角度大于0θ ），Cu 柱的屈服强度随着扭转角度的增加而急剧减小，此时晶界的强化机制表现为晶界两侧晶粒在晶界处的滑动。

通过计算发现，扭转晶界对Cu 晶体的力学性能有很大影响，Cu(100)扭转晶界晶体在剪切载荷作用下，晶界的结构形态决定变形中的塑性行为。低角度晶界，晶界处位错密度稀疏，失配位错密度低，晶界能低，晶粒间滑动趋势降低，Cu 柱屈服主要表现为晶界处的位错形核与扩展；高角度扭转晶界，晶界处形成面缺陷，失配位错密度高，晶界能高，晶粒间滑动趋势增强，Cu 柱的屈服表现为晶界滑动。不同扭转角度的扭转晶界屈服应力不相同，存在临界角度0θ ，低于临界角0θ ，晶界处的位错形核占主导，屈服应力较高；高于临界角0 θ，晶界滑移占主导，屈服应力降低。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省