CMS：扭转晶界对纳米铜晶变形行为影响的原子模拟

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#分子动力学

        晶界结构通常被认为是决定位错形核和扩展的重要因素。近年来，纳米晶金属的晶界变形行为引起了人们的极大兴趣，并通过实验和分子动力学(MD)模拟得到了广泛的研究。这项研究的主要动机之一来自于对前所未有的力学性能的期望。 目前关于扭转GB变形机制的研究主要集中在考察双晶金属中扭转GB的变形行为，其中拉伸加载方向垂直于GB。然而，在扭转边界不垂直于拉伸载荷方向的情况下，研究扭转GB对双晶金属力学行为的影响的研究还很少。双晶金属在不同载荷条件下的变形机理不同。澄清双晶金属在这些加载条件下的力学行为是至关重要的。来自西北工业大学的H.Y.Song等人利用MD模拟代码研究了扭转晶界对两种晶体Cu拉伸变形行为的影响。研究结果表明，扭转角对铜的力学性能有重要影响。

        这篇文章采用MD模拟方法研究了两种具有扭曲边界的Cu晶体在拉伸载荷下的力学性能。研究中使用的初始构型如图1所示。

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图1 两种具有扭转晶界的晶体铜的原子结构:(a)双晶铜;(b)三叉晶铜。

        采用MD模拟方法对两种不同扭转角的结晶铜的拉伸行为进行了比较。第一种结构和第二种结构的典型应力-应变曲线分别如图2a和b所示。从图2可以看出，无论扭转角度和结构如何，在达到峰值应力后，两条曲线都出现了较为突然的下降。对于第一种结构，在屈服应力后，扭转角为6°和8°的情况下，应力迅速降为零，如图2a所示。对于第二种结构，图2b的结果显示，当Cu A和Cu B的扭角从5°增加到6°时，峰值应力增加，而当扭角增加到7°时，峰值应力显著减少。

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图2 拉伸载荷为300k时两种结构的典型应力-应变曲线：(a)双晶铜和(b)三叉晶铜。

        图3和图4展现了双晶铜和三叉晶铜在不同的晶界扭转角下，在拉伸过程中的原子构型演化。

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图3 不同扭转角的第一种结构原子构型:(a)扭转角为26°的双晶Cu在拉伸应变0.0、0.99、1.02和 1.05下，(b)扭转角为6°的双晶Cu在拉伸应变0.0、0.87、1.17和1.56下。

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图4 不同扭转角的第二种结构的原子构型:(a)扭转角为5°的三分叉晶Cu在拉伸应变0.0,1.23,1.38和2.16下，(b)扭转角为16°的三分叉晶Cu在拉伸应变0.0、0.75、0.81和0.90下。

        相关研究成果以“Atomic simulations of the effect of twist grain boundaries on deformation behavior of nanocrystalline copper”为题发表在Computational Materials Science上(Volume 84, March 2014, Pages 40-44)，论文第一作者和通讯作者均为H.Y.Song。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.11.052