位错与晶界动态交互作用的物理模型研究及应用

Plastic deformation is of great significance in providing theoretic guidance to the industrial application of polycrystalline metals. The deformation mechanism is largely determined by the dislocation-grain boundary (GB) interactions. However, due to the complex internal structure of GBs and the diversity of dislocation configurations, dislocation-GB interactions pose a great challenge both theoretically and experimentally. In this proposal, a multi-scale modeling framework will be established and applied to investigating the dynamics of dislocation GB interactions in two light metals of different crystal structures, i.e., Al and Ti. This ICME-type framework starts with the atomistic generalized stacking fault (GSF) energy surface, which, together with the experimentally identified macroscopic geometry information, serves as input of the microscopic GB phase-field (MPF) model to predict the GB structures and properties. The MPF model can then be integrated with the mesoscale phase-field dislocation dynamics model to simulate the dynamic behaviors of dislocations (e.g. dislocation pile-ups, absorption and slip transmission) near GBs and build up corresponding criterion for each behavior. As a further application, nanoscale multi-layer polycrystals will be designed and studied using this newly developed model to assess the possible Hall-Petch or reverse Hall-Petch relationships under different grain sizes and loading conditions.

塑性变形行为对多晶材料的工业应用有着重要的指导意义，其变形机制很大程度上依赖于位错与晶界的交互作用。然而，由于晶界本身结构的复杂性和位错组态的多变性，晶界与位错的交互作用研究在实验层面和理论层面都面临巨大挑战。本项目旨在建立多尺度数值模型，用于研究两种不同晶体结构的金属材料（铝、钛）中位错与晶界的交互作用机制。该模型秉承集成计算材料工程（ICME）思想，从原子尺度的广义层错能出发，结合晶界宏观层面自由度的实验表征，建立微观相场晶界模型，用于晶界结构的预测和性质的计算。进一步地，本项目以微观相场晶界模型结合介观相场位错动力学模型，模拟晶界附近位错行为（如位错塞积、吞并、穿越等），建立相应的临界判据，并利用该模型设计纳米多层结构，研究不同加载条件下其晶粒尺寸可能造成的“霍尔佩奇/反霍尔佩奇效应”。

本项目基于第一性原理计算数据和微观相场方法（Microscopic Phase Field，MPF）研究了不同晶体结构金属的晶界结构，并结合微观弹性力学，给出了用于计算缺陷微观性能的一般方法。进一步地，在晶界结构的微观相场模型和介观相场位错动力学模型的集成上进行探索，建立了用于晶界-位错动态交互作用的物理模型框架。本文研究内容和结论如下：.（1）采用改进的微观相场模型（MPF），预测了五种BCC金属(11 ̅0)扭转晶界的平衡位错结构。预测结果和由传统的Frank-Bilby (F-B)方法预测的晶界位错几何结构进行了比较，并首次揭示了BCC-{110}晶界位错结构由四边形网络向多种六边形网络转变的内在机制。本文所提出的跨尺度的MPF数值模型可以进一步通过高通量计算，用来探究合金化方法（改变γ面和弹性模量等材料个性化参数）对晶界结构的调控作用。.（2）描述了计算任意位错、晶界结构各自对应的微观力学性质的普适数值方法。该方法的优点在于，由MPF计算的位错/晶界结构可以通过读取其结构序参量，直接和微观弹性力学结合起来，在三维空间里计算其应力场分布和能量。.（3）在Mg金属体系中发现位错分解行为和宽度依赖于外加应力，且派纳力由切应力的大小和方向决定。位错核心区域的微观力学特征存在明显的“反施密特”行为。这些结果采用Escaig应力概念进行了分析，探讨了位错核心结构对晶界与位错交互作用以及进一步对塑性变形的潜在影响。.（4）提出了研究晶界-位错动态交互作用的一般模型框架，在该模型中，用于描述位错结构的序参量和用于描述晶界结构的序参量在空间耦合在一个框架内，从而能考虑两者的相互作用，并进一步用于探索位错塞积、穿越、吞并等问题。