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论文: 室温和低温下纳米晶Cu的快速应力粗化 && 含O原子 Al 双晶的GB迁移 && 加速MD

已有 1448 次阅读 2021-3-15 09:55 |系统分类:科研笔记

论文1:

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在室温和-190°下,使用显微硬度计对20nm晶粒Cu进行压痕,压头停留10s, 1min, 5min, 30min. 

在室温下,发生了明显的晶粒生长,压头角处的增长明显大于直线顶部的,这是应力集中的结果。

在-190°,也发生了较明显的晶粒生长,但平均晶粒生长小于室温下的,但值得注意的是,样品在低温下的压痕下,出现了几个尺寸极大的晶粒。低温下的晶粒生长表明这种GB迁移是应力驱动的,而非扩散的。

参考文献表明,温度越低,样品硬度越高。从这个角度解释,-190°下的样品所承受压头的应力更高,因此晶粒有着更明显的粗化。

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这篇论文得到的结论是:

应力驱动的晶粒生长的存在可能使纳米晶体金属的一些机械试验结果无效,特别是如果涉及的应力很大并且样品是纯的。测试结束时材料的状态可能与初始条件不同。微观结构检查应在机械测试结束时以及之前进行。


论文2:

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摘要:关于GB,实验和模拟中的主要区别是实验中有氧原子等杂质。基于两种方法(based on the Streitz and Mintmire approach),在O杂质存在的情况下,研究Al双晶(112)倾斜 GB 的剪切耦合运动。并与Cahn和Mishin的结果来比较。研究发现,迁移的临界剪切应力随着氧原子数量的增加而线性增加。然后,这些观察结果根据边界附近氧原子的内应力信号进行了合理化。

一般而言,GB的迁移率是会被杂质原子的拖拉效应严重阻碍的。对于BCC铁对称倾斜晶界5[001](310),氢原子和碳原子可以阻碍位错滑移从而阻碍GB迁移。

说明:对于涉及氧化物的系统,由于电荷转移使杂质-金属相互作用变得复杂,因此没有对耦合的金属离子运动进行原子模拟。本工作的目的是研究取代氧缺陷的存在如何影响铝中的耦合镓迁移

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研究发现,根据O原子到基底距离的远近,氧原子可以增加或减少剪切运动的临界剪应力。

模拟了在有限温度和OK下的剪切运动。

在0K下,对纯Al样本的模拟结果很好

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上下震动的曲线是因为热噪声。

100K时的临界应力比0K时的临界应力小30MPa,表明其中有以迁移自由能和相应的激活体积所对应的热激活过程的发生。

在下层晶粒中在一个晶面上设置1个、4个、16个O原子。

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当GB面开始接近O原子时,临界应力先降低后升高,直到GB离开氧原子,临界应力才逐渐降低到正常水平。

在0K时,GB面开始接近O原子时,临界应力开始降低,当GB面距离O原子7埃时,应力开始升高,

在100K时,GB面开始接近O原子时,临界应力开始降低,当GB面距离O原子4.2埃时,应力开始升高


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在4个和16个氧原子中,GB接近氧原子时,临界应力的降低和升高的幅度都被放大,且,在16个氧原子中,GB被钉扎到高密度的氧原子平面上,在脱离钉扎后,GB迁移的频率增加。

耦合因子没有变化很多。纯铝中= 0.408(理论值) 0.406(模拟值) 

而在4个氧原子的模型中,=0.420

在16个氧原子的模型中,=0.450

而100K下也有着类似的行为。

另一种16氧原子的结构如下图:

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在Al原子上方的晶界很快发生了迁移,而在O原子上方的晶界被钉扎,GB结构发生强烈变化,但最终还是脱离了钉扎并赶上了之前的GB面。


这个相当极端的例子表明,氧的不均匀性程度也可以在确定氧存在下金属间化合物如何迁移方面发挥重要作用,并给出了一个金属间化合物被局部钉扎在含高浓度氧缺陷区域的例子


讨论与结论

对图8的更仔细的检查揭示,当GB接近O原子时,应力特征可以突然减小,而没有观察到GB的任何迁移。

氧原子的局部共聚能与GB经过O原子的迁移应力正好对应上。

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对于1个、4个、16个氧原子的最大剪切应力时线性增长的。但是,随着氧原子的增多,将会有O-O原子的相互作用,届时,将不再是线性关系。GB迁移应力叠加的本质是GB迁移事件协同运动本质的直接结果。对模拟检查表明,GB没有发生局部迁移,而在Cahn Mishin的Cu双晶中,800K下有类似的协同运动。但在加速MD中,剪切应变率接近实验,迁移很少协同发生。GB结构单元首先形成一个岛(凸出),随后GB台阶扩展,GB发生整体的迁移。


在这些低得多的剪切应变速度下,耦合的GB运动也观察到更大的随机性,迁移发生在向上或向下,平均法向速度仍然与几何预测一致。因此,GB运动具有很强的热分量,GB平面运动表现出类似布朗运动的特征,而不是目前工作和参考文献中所见的主要由应力驱动的粘滑过程。


GB迁移事件的集体性质很大程度上可能是高剪切应变速度的结果!


在较低的剪切应变速度下,可以预见迁移将首先发生在没有氧的区域,由此产生的GB台阶区域向氧缺陷迁移,最终导致某种类型的GB脱钉过程,其应力依赖性可能与这里观察到的非常不同。


,本文中的替代氧原子是不可移动的,可以预期,更多的移动缺陷(如间隙氧)可能对GB迁移率产生非常不同的影响,特别是在有限的温度下,间隙氧可能在耦合GB迁移模拟的时间范围内移动相当大的距离。


论文3:

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前文阐述了大量粘滑运动的定义,特点。并联系到了GB运动。

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    GB存在一个特定原子排序的由多面体结构单元组成的基态结构。由于晶体的对称性,存在着无数个相同状态的晶界。在某些情况下,GB结构允许通过不涉及原子扩散的相对较小且高度相关的原子位移在两个附近的稳定位置之间来回平移。GB的两个相邻状态由能垒E0隔开。在足够高的温度下,晶界可以通过热波动克服这一障碍,导致自发的随机行走运动,伴随着平行于晶界平面的晶粒的耦合相对平移。这种状态的布朗运动是被原子模拟所观察到的,但是在相对低温下,克服障碍的热移动是不可行的。

    在0K时,只有应力达到时,GB才会运动。增量H和S时几何常数,并且是被GB几何结构所决定的。要注意的是,应力降的幅值,取决于S/L,L为上下固定原子层的距离,因此对于一个固定的GB,其L越大,即模型越高,则应力降幅值越小。在有限温度下,变小。

    GB的基态由总势能的全局最小化获得。GB的位置的确定是通过沿GB的原子势能最大层确定的。切应力是用标准virial表达式。

    在二维上是三角形结构单元的,在三维上是戴帽三棱镜形状。capped trigonal prisms 

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    image.png该GB的GB面平行于(320),但存在一组不同位置的GB,且有着相应的不同的平移状态,但是他们表现处相同的GB结构和能量,经过计算,这样的GB面相邻距离 |H| 为0.2507nm。相应的image.png

    注:粘滑行为的公式:

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为了在一定范围内研究应力与速度的关系,速度必须能在几个量级内大的一个范围内变化,使得应力能有变化,因为要对速度取对数。

    在足够高的温度下,耦合现象消失,剪切响应变为刚性滑移。此外,在高温下,速度v的减小,使得GB位移的频繁反转,并最终使GB从粘滑行为变为布朗运动。另一方面,如果温度太低,检测到,从image.pngimage.png的应力的减小,需要达到一个难以达到的小的速度。最终,选择了500K.作为最合适的覆盖了在较大速度范围内的粘滑动力学行为的温度值。

    在文献中,模拟的速度多为1-10m/s或更高,而自然中或实验中,再结晶和晶粒生长的GB速度为 几纳米 - 几百微米 每秒。因此在模拟和实验上,有着较大的鸿沟。

    一次transition的定义:当在一次能量最小化过程中,一个或多个原子,相对于上一次能量最小化,移动了超过0.6埃的距离。

    该模型的边界条件随着时间而改变,因此用了一个特殊的势。

    在GB 迁移过程中,每一步都要进行能量最小化吗?

    无应力时的GB移动能量阻碍是通过nudged elastic band方法计算的,在两个稳定位置的GB面之间,为1.882ev, 显然,该值取决于模拟块的横截面积。

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    在0K下,GB的位移是通过GB核心的所有结构单元的同时的变形和旋转引起的。

    在500K下,GB结构单元并非同时移动,而是,一组单元先移动,形成一个岛,通过disconnection环或dipole与GB其他部分分离开,这个过程类似于二维相变中的新相形核。这个转变的阻碍能 =  临界核的过剩能 + 平面晶界能的鞍点能。

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    需要注意的是,上文中在0K下计算得到的GB移动能量阻碍,无应力势垒,是针对整个GB的均匀位移。这不是“transformation”的最小能量路径。这解释了为什么这个阻碍可以被看作是真实阻碍的上限。以及0K下的临界应力也是被高估的。

    速度范围是image.png。在每一个速度下,临界应力 是至少平均了20-30个滑移事件 得到的。

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在5m/s之下,速度与应力是线性关系。

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    得出结论:耦合的GB运动确实遵循粘滑动力学的基本关系。

    在速度>5m/s的时候,尽管锯齿行为依然存在,但它变得更嘈杂了,当速度>50m/s时,应力变得随机,且应力均值随速度增加迅速降低。尽管说GB依然以一个可以与几何耦合因子相比较的耦合运动在运动,但是,50m/s已经是粘滑行为的上限了。

    对于高速度下应力的降低的解释:晶粒中能量的耗散不能跟上每次GB运动增量的谈性能的释放。在无阻尼弹性波的帮助下,GB发生运动,且应力变小。

    在较低速度下,偶尔发现GB的反向跳跃,总是发生在临界应力附近,且伴随这应力的下降,

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    反向跳跃的发生,可以理解为GB附近的弱稳定性。在棒子模型中,当圆球到达势能极大值时,它有机会滑入任何一个谷中。但在较高的速度下,向后的跃迁是不可能发生的,但是当速度足够小时,这是有可能发生的。

    我们预计在更小的速度下,反向跳跃的频率将逐渐增加。最终,粘滑过程将被弱驱动布朗运动所取代。在这项工作中没有达到这样低的速度。

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        就像棒子模型中,动力学特性取决于棒子的刚度和长度一样,GB的一些动力学特征也取决于晶粒尺寸L,上下距离,特别是,L影响耗散率,从而影响粘滑行为速度范围的上限。速度的下限也取决于L,因为在固定的T和v下,L的减小导致每次应力下降后产生较小的最终负应力,这有利于反向位移。

     这种反转,是布朗运动开始前的征兆。



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