典型FCC金属中低Σ取向晶界切应力作用下力学行为的研究

We plan to study the shear response of some particular grain boundaries (GBs) in typical FCC metals Cu, Al and Ni by computer atomistic simulation methods combined with in-situ transmission electron microscopy experimental techniques. Three types of GBs including the symmetric tilt, asymmetric tilt and pure twist boundaries with their misorientations corresponding to the low Σ values and the vicinal boundaries are selected for the study. Shear of these GBs along different directions and at different temperatures will be performed. With a detailed analysis of the stress-strain response and structure evolution behavior of these GBs, the "structure - mechanical behavior" relationship of these GBs can be explored based on the existing structure models for GBs. In particular, the study will focus on the clarification of the following questions. 1) For shear of the selected GBs along different directions and at various loading temperatures, can the structure evolution behavior of these GBs be described by the GB DSC (Displacement Shift Complete) dislocation mechanism? 2) For GBs in a particular kind of material (Cu, Al and Ni), what are the intrinsic conditions (geometry of GBs) and extrinsic conditions (shear stress and loading temperature) for the activation of GB sliding-migration coupling motion? 3) How can GBs with the same geometry but in different kind of materials (Cu, Al and Ni) behave differently? It is anticipated that a deeper insight on the GB effect in the mechanical behavior of metal polycrystals can be gained by this study. In particular, we believe that the recently observed grain growth phenomena occurred in the athermal loading of nanocrystalline metals can be explained with the help of this study.

本项目拟采用计算机原子尺度模拟方法，结合原位透射电镜等实验手段，选取典型面心立方金属铜、铝和镍中低重位数Σ取向与近Σ取向的对称倾斜、非对称倾斜以及扭转晶界为研究对象，考察它们在不同取向切应力与温度下的力学行为与结构演化方式，同时结合晶界的各种结构模型，探讨这些晶界的"结构-力学行为"规律。研究工作致力于澄清如下问题：1）对于所选晶界，在不同取向切应力与温度下，其结构演化方式是否符合晶界重位点阵理论所预测的晶界DSC位错运动机制描述？2）对于特定材料（铜、铝和镍）中的晶界，其发生晶界滑移迁移耦合运动需要什么内部（晶界的几何取向）与外部（切应力与温度）条件？3）不同材料（铜、铝和镍）中相同几何取向的晶界其力学行为会有什么不同表现形式？预期通过本项目的研究工作可望促进对金属多晶体材料力学行为中晶界效应更深层次的认识，并为解释当前实验中所发现的金属纳米晶材料冷态形变条件下的晶粒生长现象提供线索。

金属材料中的晶界对于材料整体强韧性有重要影响，这在超细晶和纳米晶粒材料中表现得尤为显著。本项目在如下三个方面对金属材料的晶界构成与力学行为进行了探讨。一、近年来人们研究发现，在超细晶与纳米晶金属中，材料会在室温或更低温载荷下发生晶粒长大现象，这种晶粒长大现象主要是由切应力引起的晶界迁移来完成的。为搞清楚这种切应力引起的晶界迁移发生的条件与原子机制，我们先选取了铜与铝中两个非对称倾斜晶界Σ3[-110]-tilt (-1-15)/(111)与Σ9[-110]-tilt (115)/(111)，采用原子尺度模拟方法研究了这两种晶界在不同取向切应力下的力学行为特征。发现铜与铝中这两种晶界均可在一些取向的切应力下发生晶界滑移-迁移耦合运动，并阐明了这种晶界耦合运动发生的晶体学机制和运动学特征。接下来又选取了金属铝中一系列晶粒取向差更为一般的邻位面晶界，同样用原子尺度模拟方法进行了研究。发现对于这些晶粒取向差与晶界面倾向角偏离重位面晶界不大的晶界，在切应力作用下也可以发生晶界滑移-迁移耦合运动。综合这些研究结果，同时结合本人此前对一些对称倾斜晶界的研究工作，我们分析提出，晶界内禀的双晶晶体学结构特征是晶界可以在切应力下发生晶界迁移的主要原因。这些研究结果基本上澄清了晶界在切应力下发生迁移的原子机制和晶体学条件，为设计与控制多晶体金属材料的微观结构提供了重要的指导与参考依据。二、作为一种具有潜力的轻质结构材料，镁及镁合金有限的塑性变形能力限制了其应用。受限于镁的密排六方晶体结构，镁仅在其密排面上较容易发生位错滑移，而孪生则是其重要的辅助变形方式。目前关于镁的孪生变形机制、孪晶界如何在应力下迁移尚存争议。本项目通过亚微米尺寸样品原位电镜观测手段结合原子尺度模拟方法研究了纯镁中具有{1012}孪晶晶粒取向关系的B/P界面的结构与应力下迁移特征，发现镁中的B/P界面呈复杂的空间梯田状，每个小的B/P台阶均可在正应力下通过“单胞翻转”方式迁移。该结果对人们认识镁的孪生变形机制与行为有重要的借鉴意义。三、孪晶与孪晶界是晶体材料中一类重要的结构缺陷，如何有效地用实验手段表征晶体材料中的孪晶与孪晶界具有重大意义。本项目基于X射线同步辐射样品分析手段，通过晶体学理论推导各种晶系常见孪晶的位向关系，建立了一种自动孪晶位向搜寻策略用于多晶体材料中孪晶结构的表征，为人们研究孪晶提供了便利。