体心立方金属中螺位错运动机理的温度效应理论研究

The screw dislocations are very important to the body-centered-cubic (bcc) metals because the movement mechanisms of the screw dislocations determine the plastic deformations of the bcc metals. Because the screw dislocations are complicated with the three-hold core structures and the slip planes are not fixed, therefore, the studies are mainly focused on the numerical calculations, and compared with the numerical calculations, the theoretical studies are much less. Among all the dislocation theories, the temperature effects are not considered, however, not only the ductile-brittle transitions but also the kink-pair movement mechanisms of the screw dislocation are all closely related to the temperature, therefore, the temperature effects of the screw dislocations can not be studied by using the dislocation theories existed. Besides, although the generalized Peierls-Nabarro (P-N) model agrees with the n-hold core structures of screw dislocations, the P-N model is based on the elastic continuum theory which does not absolutely considered the lattice discrete effect. In this item, the new dislocation model, which takes into account the temperature and is in accordance with the properties of the screw dislocation cores, will be established based on the generalized P-N model and the lattice theory of dislocations, and the phonon spectra and the generalized-stacking-fault energies will be calculated based on the density functional theory. Through investigating the relationships between the atoms arrangement of the dislocation cores, the Peierls stress as well as the formation energies of the kink-pair with the temperatures, it is hoped that the temperature effects on the movement mechanisms of the screw dislocations can be revealed.

螺位错对于体心立方材料至关重要，因为它的运动决定着材料的塑性形变，但由于螺位错具有三维分解的复杂芯结构以及多个滑移面，因此对螺位错的研究主要集中在数值计算方面，在理论方面的研究则相对较少。在目前研究位错的理论中，都不包含温度效应的影响，而体心立方材料的韧脆转变和螺位错的扭折对运动机理都与温度密切相关，因此现有理论无力研究螺位错运动机理的温度效应问题。此外，虽然泛化的Peierls-Naborra(P-N)模型与螺位错的多重芯结构相对应，但此模型建立在连续弹性理论基础上没有完全考虑晶格离散效应的影响。本项目将从泛化的P-N模型以及位错晶格理论出发，基于密度泛函理论计算材料的声子谱以及与螺位错的多重芯结构相对应的广义层错能来建立包含温度效应并与螺位错性质相匹配的位错模型，并研究芯结构的原子排列位形、Peierls应力以及扭折对的形成能与温度的关系，进而在理论上揭示出温度对螺位错运动机理的影响。

在BCC晶体中，螺位错的运动机制对材料的塑性形变有着重要影响，而且温度的增加会加剧晶格振动，从而对位错的芯结构以及位错运动机制有着重要影响，因此，在研究BCC晶体材料中的螺位错时，需要考虑温度效应的影响。在目前研究位错的理论中，都不包含温度效应的影响，因此无从得知考虑温度效应后的相关位错性质。本项目基于密度泛函理论的第一性原理和位错晶格理论对BCC晶体中的螺位错进行了温度效应的研究。主要研究成果有：1. 给出了考虑温度效应后的广义层错能的计算方法，并在根据第一性原理计算得到的声子谱的基础上，计算了BCC晶体材料的广义层错能；2. 给出了包含温度效应的位错方程，并给出了位错方程中相关物理参量随温度变化关系的计算方法；3. 具体研究了BCC晶体材料Ta和Mo中螺位错(110)面广义层错能随温度的变化关系，以及两种材料中的螺位错芯宽度、Peierls应力、位移场、位错密度随温度的变化关系。研究发现，对于Ta，随着温度升高，位错宽度以伯格斯矢量为单位逐渐降低，Peierls应力逐渐增加，而Mo中螺位错受温度的影响则刚好与Ta相反，但是两种材料受温度的影响并不是非常显著，尤其是，两种材料的位移场和位错密度几乎不受温度的影响，这暗示了螺位错运动时可能并没有改变它的芯结构。. 通过基金委对本项目的支持，项目负责人得以迅速成长，在项目组成员的共同努力下，基本完成了预期的目标。本项目协助培养硕士毕业生2名，培养在读硕士生3名，本项目的部分研究成果，以项目负责人为第一作者的3篇论文以及为通讯作者的1篇论文共4篇(本项目皆为第一标注)将于2018年发表出版，并将在这些论文发表后对项目成果进行追加。