《FCC结构金属孪晶界面能的计算研究》

技术简介：

纳米孪晶材料因其优异的力学性能,成为金属材料科学领域的研究热点。其主要增强增韧机制:通过在金属材料内部引入高密度孪晶,从而提高材料的强韧性。纳米孪晶的生成与孪晶界面能密切相关,但通过实验方式很难测量孪晶界面能。针对此问题,本文采用第一性原理计算了3种面心立方(FCC)结构金属(Ag、Cu、Al)的孪晶界面能;此外,本文还以金属Al为例,基于晶界沟槽法原理,采用分子动力学模拟计算了该金属的孪晶界面能;最后,基于上述孪晶界面能的计算结果,本文采用分子动力学模拟了上述3种金属在[111]晶向的定向凝固过程,分析孪晶界面能对形成生长孪晶的影响规律。本文取得的主要研究结论如下。(1)在3种FCC结构金属(Ag、Cu、Al)孪晶界面能的第一性原理计算过程中发现,选取不同的超胞尺寸,即改变孪晶界间距和面积,对孪晶界面能计算结果影响很小,可忽略不计。3种金属孪晶界面能的计算结果分别为10.6m J/m~2、22.8m J/m~2和55.4mJ/m~2,计算值与实验值非常接近,反映了计算方法的可靠性和计算结果的准确性。此外,本文的计算结果还很好地解释了实验中制备孪晶的难易程度,即孪晶界面能越大,制备出孪晶越困难。(2)采用分子动力学模拟获取了金属Al的一些重要参数,如熔点温度、熔化焓、固/液界面能等。构造出两种不同晶体学取向的平衡孪晶-液相沟槽,分别采用晶界沟槽角度测量法和局部界面轮廓曲线拟合法计算了金属Al的孪晶界面能。研究发现晶体学取向对孪晶界面能几乎无影响,金属Al的孪晶界面能计算结果为77.5m J/m~2～85.0mJ/m~2,该结果比第一性原理的计算结果偏大。分析认为第一性原理仅计算了界面能中的焓,而分子动力学模拟计算结果中则包含了熵对界面能的贡献。(3)采用分子动力学模拟了3种FCC结构金属(Ag、Cu、Al)在[111]晶向的定向凝固过程。模拟中随着过冷度的增大,在3种金属中都观察到了生长孪晶现象,并且发现定向凝固过程中形成生长孪晶的难易程度受到孪晶界面能的影响,对于孪晶界面能较低的金属Ag,仅需要很低的过冷度(5K)即可观察到生长孪晶;对于金属Cu和Al而言,观察到生长孪晶的过冷度分别需25K和250K。即孪晶界面能越大,形成生长孪晶越困难,该发现与孪晶制备实验相一致。

研发人员：闫康诚