用分子动力学模拟纯铜[0 1-1]倾侧型非共格∑3晶界的结构稳定性

摘要

有研究表明，中低层错能面心立方金属中的非共格Σ3晶界可以转化为更加稳定的共格Σ3晶界，其行为在此类金属晶界特征分布演化中发挥着重要作用。为了掌握不同原子面匹配的非共格Σ3晶界的特性，为中低层错能面心立方金属晶界工程研究提供依据，本文采用分子动力学模拟方法研究了纯铜[01-1]倾侧型非共格Σ3晶界的结构稳定性及其向共格Σ3晶界转化的微观机制。主要研究内容包括：
　　 ⑴基于晶体学基本原理和重位点阵相关理论、利用坐标转换矩阵法、按照Σ3取向差关系进行匹配并综合考虑x、y和z三个方向的周期性边界条件，构造了纯铜的(255)/(-211)、(177)/(-311)、(-411)/(011)、(-122)/(-100)、(-5-1-1)/(-111)五个分子动力学模拟所需的[01-1]倾侧型非共格Σ3晶界的电子样品。同时，总结出了面心立方晶体任意晶面(h k1)（h、k、1最大公因数为1）的原子排列一般规律，为其它低Σ晶界分子动力学模拟用电子样品的制备奠定了基础。
　　 ⑵利用分子动力学模拟方法研究了上述五个电子样品在700K-1100K温度范围内和常压下的结构稳定性。分子动力学模拟采用原子间相互作用长程经验多体势，步长为5×10-15秒。模拟结果表明:所研究的五个非共格Σ3晶界，其结构稳定性存在很大差异，其一般规律是，与(111)/（-111）共格孪晶界之间的夹角（φ角）越小，晶界匹配值越大，则非共格Σ3晶界越稳定;反之亦然。φ角最小的(255)/（-211）非共格Σ3晶界较稳定，在退火过程中几乎不发生变化。随着φ角的增大，非共格Σ3晶界不再稳定，这类晶界会通过Miller指数较高一侧晶体每三层原子面合并为一层原子面（或Miller指数较低一侧晶体每一层原子面分解为三层原子面）的机制转变为亚稳的“台阶”状品界，台阶面部分地处于精确的能量极低的{111}/{111}共格孪晶界上;当提高温度退火时，这种“台阶”状晶界最终会全部转变成稳定平直的{111）/{111）共格孪晶界。
　　 ⑶利用重位点阵晶界原子匹配模型分析发现，所模拟的五个非共格Σ3晶界的结构稳定性与单位晶界长度对应匹配区面积（即匹配值）存在对应关系，即匹配值越大，晶界越稳定;反之亦然。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 晶界(GB)

1．2．1 晶界(GB)的结构及特性

1．2．2 晶界(GB)的分类

1．2．3 晶界(GB)的结构模型

1．3 重位点阵晶界及特殊晶界

1．3．1 重位点阵晶界

1．3．1 特殊晶界

1．4 晶界工程

1．4．1 “晶界工程”(GBE)的发展历程

1．4．2 “晶界工程”(GBE)的分类

1．5 Σ3晶界

1．6 本文研究的主要内容

第二章 分子动力学

2．1 分子动力学模拟的概念及基本原理

2．2 分子动力学模拟在材料科学研究领域中的应用

2．3 分子动力学模拟的基本要素

2．3．1 原子间相互作用势

2．3．2 边界条件

2．3．3 步长

2．4 本文采用的分子动力学模拟方法

第三章 电子样品的构造及晶面原子的排列规律

3．1 坐标转换制备电子样品

3．1．1 制备初级超级胞

3．1．2 确定晶面新的坐标轴

3．1．3 求解新旧坐标系的转换矩阵

3．1．4 初级超级胞的坐标转换及筛选

3．1．5 确定匹配面

3．1．6 确定电子样品在x、y和z轴方向的尺寸

3．1．7 Σ3匹配并优化处理

3．2 晶面原子排列规律与晶面指数的关系

3．2．1 △z的大小与晶面指数的关系

3．2．2 晶面的重复周期长度与晶面指数的关系

第四章 非共格Σ3晶界稳定性分析

4．1 非共格E3晶界(2 5 5)/(-2 1 1)的结构稳定性分析

4．2 非共格Σ3晶界(1 7 7)/(-3 1 1)的结构稳定性分析

4．3 非共格Σ3晶界(-4 1 1)/(0 1 1)的结构稳定性分析

4．4 非共格Σ3晶界(-1 2 2)/(-1 0 0)的结构稳定性分析

4．5 小结

第五章 非共格Σ3晶界退火后的位错分析

5．1 非共格Σ3晶界(-4 1 1)/(0 1 1)退火后的分析

5．2 非共格Σ3晶界(-1 2 2)/(-1 0 0)退火后的分析

5．3 非共格Σ3晶界(1 7 7)/(-3 1 1)退火后的分析

5．4 小结

第六章 非共格Σ3晶界结构分析

6．1 不同Φ值的非共格Σ3晶界的晶界周期

6．2 不同Φ值的非共格Σ3晶界的匹配区

6．3 不同Φ值的非共格Σ3晶界的匹配值

6．4 小结

第七章 结论与展望

7．1 本文的主要工作及结论

7．2 非共格Σ3晶界研究中的展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的成果