晶界迁移与剪切适应受断开迁移率控制

《Acta Materialia》：Grain Boundary Migration and Shear Accommodation Controlled by Disconnection Mobility

晶界迁移受断开机制动态调控，高迁移率断开维持平坦结构，低迁移率断开导致缺陷累积并降低有效迁移势垒，历史缺陷积累显著改变晶界行为。

　　

斯宾塞·托马斯 | 杰森·R·特雷莱维茨

材料科学与化学工程系，石溪大学，纽约州石溪市 11794

摘要

断裂机制已被确立为描述晶界（GB）行为的强大工具，包括晶界迁移、滑移、三重结迁移以及晶界与体缺陷的交换。然而，断裂成核和迁移对模式选择以及有效晶界迁移率的相对贡献尚未完全阐明。断裂成核的障碍通常也非常高，这引发了关于在没有大的驱动力和小型双晶模拟（其中周期性边界条件减小了有效成核半径）的情况下，断裂如何能够实际促进晶界迁移的疑问。本研究使用Σ5(310)对称倾斜晶界作为模型界面，展示了断裂迁移率在模式选择和晶界迁移率中的作用。在施加剪切应力时，高迁移率的断裂会形成并沿晶界传播。由于这种高迁移率，晶界在大部分迁移过程中保持平坦。在合成驱动力的作用下，相反，低迁移率的断裂会在晶界处形成并积累，导致缺陷密度增加。这些低迁移率的断裂成为更多断裂的成核位点，大大降低了迁移的有效障碍。随着断裂的积累，晶界迁移率的变化表明，晶界行为不仅受当前晶界条件的影响，还受到过去迁移和缺陷吸收的影响，因此可能会偏离基于初始平坦双晶的预测。

引言

断裂模型已成为描述晶界（GB）多种行为的强大工具。这些行为包括剪切耦合迁移、晶界滑移和蠕变[[1], [2], [3]]、应力辅助迁移[[4], [5], [6], [7], [8]]、晶界与体缺陷的交换[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]以及晶粒旋转[[15], [16], [17], [18]]。剪切耦合迁移、蠕变和晶粒旋转，以及晶界传输或吸收体位错的能力[[9]]，在小晶粒尺寸极限下调节塑性方面起着重要作用[[19]]，同时也介导影响细晶粒和纳米晶材料稳定性的晶粒生长机制[[20]]。因此，对晶界位错和断裂的许多研究兴趣源于纳米晶材料的发展，这些材料表现出独特的性能，如增强的强度和非经典强度缩放行为[[21], [22], [23]]、改善的耐磨性和抗疲劳性[[24], [25], [26], [27]]以及增强的辐射稳定性[[28], [29], [30], [31]]。在极小的晶粒尺寸下，晶界滑移可能会降低这些材料的强度，但同时也会增加韧性和延展性[[32,33]]。全面理解控制这些材料行为和稳定性的机制可以指导其开发并最终作为工程合金的应用。

剪切耦合迁移和晶界滑移可以通过沿晶界的断裂成核和运动来理解[[2,[34], [35], [36], [37]]。断裂[[38], [39], [40]]是由晶界台阶高度和伯格斯矢量组成的特殊组合构成的晶界缺陷，它们共同代表了一组在迁移或剪切适应过程中保持晶界结构的变换[[41]]。不遵循这些特殊组合的部分断裂则划定了不同亚稳态晶界结构的区域[[42,43]]。每个晶界都具有一组独特且无限的断裂模式，但|b|和值较小的模式通常在能量上更有优势[[34,44,45]]。当晶界迁移与晶界平面上的剪切位移耦合时[[1]]，会发生剪切耦合迁移，其特征是剪切位移与晶界迁移的比率β = |b|/h。在没有剪切耦合的情况下，晶界迁移可能发生在 = 0的断裂模式下，或者由多个符号相反的β模式共同作用[[2,15,36,46]]，或者晶界迁移不由断裂介导。晶界滑移则是通过激活 = 0的断裂模式或多个模式的共同作用来实现的。因此，晶界行为受到不同断裂模式可用性的强烈影响。

为了使某种断裂模式直接促进晶界迁移和剪切，该类型的断裂必须通过成核或吸收存在于晶界上，并且它们必须能够迁移。人们非常关注断裂成核作为模式选择的驱动因素[[15],[47],[48],[49]]。Combe等人[[50]]研究了Σ17[100][410]对称倾斜晶界中两种模式之间的竞争，发现了成核能量的显著差异，以及由弯曲介导的断裂迁移的证据。现有的许多断裂研究都隐含了一个假设，即断裂在断裂形成时间尺度上快速迁移[[15,51,52]]，但这并不总是正确的。如果断裂迁移率低且断裂的平均寿命相对于断裂成核事件之间的平均时间较长，那么晶界上的断裂密度将由成核和湮灭的平衡决定[[53],[54],[55]]。在这种情况下，行为由断裂密度（由成核和湮灭之间的竞争决定）和断裂漂移速度共同决定。如果断裂完全静止，它们可能通过成核继续形成，而不会直接对晶界行为产生影响；然而，不动的断裂也可以通过作为进一步断裂形成的异质成核位点间接影响晶界行为[[49,56]]。

从断裂机制中显现出的晶界性质，如晶界迁移率和剪切耦合因子，并不是晶界本身固有的。它们对环境条件、晶界面上的缺陷存在以及晶界上的特定驱动力非常敏感。例如，考虑一个在远离晶界平面的零位移边界条件下被驱动迁移的晶界。如果晶界强烈偏好某种特定的断裂模式，它可能会发生剪切耦合，从而导致由于边界条件而产生的应力积累。这种应力反过来会抑制主要的断裂模式，并刺激通常不优先的断裂模式的成核[[15]]，从而导致不断演变的表观晶界迁移率和剪切耦合行为。当晶界已经充满了高密度的断裂时，屏蔽效应可以改变有效的断裂障碍，进而改变有效的晶界迁移率和剪切耦合[[52]]。通过一种断裂模式迁移的晶界还可能在终止的三重结（TJs）处导致断裂堆积，从而产生TJ阻力[[57]]。在三重结处积累的应力或由于TJ固定而产生的大晶界曲率可能会刺激其他断裂模式的激活，破坏晶界结构，并释放位错。亚稳态晶界结构也会改变有效的断裂障碍。例如，在模拟[[58,59]]和实验[[60]]中观察到，辐照引起的晶界结构变化可以导致从剪切耦合到滑移的转变，这意味着断裂选择的变化。晶界还可以积累静止的断裂[[10,12,13]]——这些断裂的不动性可能阻止它们的湮灭，使它们持续影响晶界的行为。因此，不仅当前条件，晶界的历史及其结构的演变也会影响其行为。

在这项工作中，我们使用分子动力学（MD）模拟在三个层面上研究了FCC Ni中的Σ5(310)对称倾斜晶界：断裂的形成、断裂的运动以及由断裂引起的晶界行为。Cahn等人[[61]]报道了这种晶界的剪切耦合现象，Combe等人[[62]]在更一般的多种断裂模式相互作用研究中也进行了简要研究。另一项计算研究显示了在100 K下FCC Cu在施加应力时的表观晶界粗糙化和滑移[[63]]。我们的结果表明，断裂迁移率的差异可以导致断裂模式之间的质量不同行为，这种影响远远超出了仅从成核能量学中可以推断出的范围。有利于高迁移率断裂的条件可以通过断裂成核模型很好地描述[[15],[47],[48],[49]]。有利于低迁移率断裂的条件会导致缺陷积累。由此产生的带有断裂负载的晶界与平坦晶界具有非常不同的性质，包括增强的迁移率。由于晶界预计会从初始形成和随后吸收体缺陷的过程中充满断裂，并且由于断裂成核的障碍通常在没有大的驱动力时是无法克服的，因此断裂迁移率通常会成为控制晶界行为（如剪切耦合迁移和向晶界滑移的转变）的主要因素。

方法

进行了原子级计算，以研究FCC Ni中Σ5[100](310)对称倾斜晶界（GB）的迁移和应力响应，包括三个层面：晶界的行为、介导该行为的断裂的形成以及这些断裂形成后的运动。由于断裂是由低能量晶界结构的保持定义的，因此本研究中的每个模拟都使用最低能量的晶界结构作为参考点和初始条件。

结果

首先在两种不同的驱动力下研究了Σ5[100](310)对称倾斜晶界的迁移行为——一种是施加的剪切力，另一种是用于晶界迁移的合成驱动力——以及这两种驱动力的组合。然后，在断裂机制的背景下解释和说明了这种行为。接着，介绍了断裂成核和迁移的障碍，并用它们来解释晶界的迁移和剪切适应行为。

讨论

我们的研究结果表明，仅凭断裂成核障碍无法描述Σ5(310)对称倾斜晶界的行为。同一晶界内的不同断裂模式可能受到不同过程的限制，这取决于驱动力，有三种情况：

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应力驱动：模式1占优势。由于高断裂迁移率，晶界保持平坦。

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合成驱动力：模式3占优势。缓慢的断裂逐渐积累。

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混合驱动力：模式2占优势。

结论

研究表明，FCC Ni中的Σ5[100](310)对称倾斜晶界表现出剪切耦合和迁移行为，这些行为无法仅用断裂成核障碍来充分解释。在剪切应力影响下的强剪切耦合、在合成驱动力影响下的晶界缺陷积累，以及模式2断裂的微弱贡献，都可以从断裂迁移率之间的巨大差异中得到更好的理解。

CRediT作者贡献声明

斯宾塞·托马斯：写作——审阅与编辑、撰写原始草稿、可视化、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。杰森·R·特雷莱维茨：写作——审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、项目协调、概念化、资金获取、撰写原始草稿、方法论。