Applied Surfce Science：钨中(110)扭曲晶界的能量和结构

    晶界对多晶材料的性能有重要影响，其中扭曲晶界因其独特的晶界结构而备受关注。人们对TGBs的能量和结构进行了大量的研究，特别是对面心立方材料目前还缺乏对BCC材料中TGBs在整个扭转角度范围内的能量和结构的全面了解。来自北京航空航天大学的Ya-Xin Feng等人利用分子静力学模拟方法，系统地研究了W中（110）扭转晶界（TGB）的能量和结构。
      根据晶界位错的分析，（110）TGB可分为三种类型：低角晶界（LAGBs）、中角晶界（IAGBs）和高角晶界（HAGBs）。
      图1显示了GBE与扭转角在整个角度范围内的依赖性。如图1所示，GBE迅速上升，并在低角度接近一个渐近值。在较高的角度，形成了一些对应于相对低边界的能量的尖点。GBE曲线的形式与α-iron中的(110)TGB相似，说明这种形式可能是BCC金属的普遍形式。
​

图1 晶界能(GBE)随扭转角的函数

      图2显示了弛豫LAGBs随扭转角增大的结构变化，其中图2a-c为不同扭转角的原子结构，图2d-f为对应的位错网络。如图2a和d所示，θ = 2.03°在(110)TGB中存在由1/2[111]、1/2[-1-11]和[001]螺钉位错组成的六角形位错网络。在实验中，在W的(110)TGB中观察到螺钉位错，其取向偏差约为6°，这与模拟结果一致。随着捻度角的增大（≥8.98°），位错网的网孔尺寸减小，部分六角形网孔变为四角形网孔(图2a-f)。
​

图2 (a – f)三个扭转角的LAGBs的原子结构和位错:(a)和(d) θ = 2.03°，(b)和(e) θ = 8.98°，(c)和(f) θ = 16.10°

      当17.23°≤θ≤22.22°，IAGBs的原子结构和位错结构都是无序的，如图3所示。位错由螺钉位错转变为混合位错，其Burgers向量也相应变化(图3d-f)。在这一阶段，位错核相互靠近，最终撞击。位错核之间的相互作用可能是造成这种紊乱的原因。伴随着这一过程，GBE缓慢上升，最终达到一个稳定的值。
​

图3 (a – c)三扭转角IAGBs的原子结构和位错:(a)和(d) θ= 17.23°；(b)和(e) θ= 18.54°；(c) and (f) θ= 21.08°

      θ≥23.50°在HAGBs中DXA未检测到脱位。TGBs由周期性模式组成，如图4a-f所示。根据原子结构和对应的GBEs, HAGBs可以进一步分为三种亚型:特殊边界(图4a)、特殊边界附近的边界(图4b)和普通hagb(图4c)。特殊边界是具有相对低Σ的边界，它们的GBE对应于GBE曲线的尖端。
​

图4 不同扭转角HAGBs的原子结构:(a) θ= 50.48°，(b) θ= 48.13°，(c) θ= 83.70°，(d) θ= 65.47°，(e) θ= 67.08°，(f) θ= 70.53°

      相关研究成果以“The energy and structure of (1 1 0) twist grain boundary in tungsten”为题发表在Applied Surface Science上(Volume 357, December 2015 Pages 262-267)，论文第一作者为Ya-XinFeng，通讯作者为Jia-Xiang Shang。
论文链接：
http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.08.265