扭轉晶界

晶體兩部分沿垂直於界面軸旋轉一個角,形成扭轉晶界。扭轉晶界是由兩組相交的螺型位錯所構成。純粹的傾側晶界和扭轉晶界是晶界的兩種特殊形式。一般晶界的旋轉軸和界面可以有任意的取向關係，所以實際上小角度晶界是由二維(平面分佈)的位錯網絡所構成。

納米晶粒尺度金屬多晶體具有優良的力學性能，如高強度、高韌性，因而，納米晶粒尺度下的金屬多晶體的理論和實驗研究已經成為關注的熱點。該尺度下晶界影響其力學性能，一方面晶界阻礙位錯運動，引起界面強化，提高其強度；另一方面晶界可以吸收位錯和發射位錯，提高了其塑性力學行為，所以，對晶界性質的研究已經成為重要的研究方向。實驗研究發現納米晶粒中，晶界處發生的位錯形核和位錯擴展在金屬晶體變形過程中起主導作用；然而迄今為止納米尺度實驗技術發展的限制性制約其發展，利用原子模擬的方法去研究納米尺度的力學現象成為重要的研究手段 ^[1]  。

因為物體界面原子和內部原子受到的作用力不同，它們的能量狀態也就不一樣，這是一切界面現象存在的原因。界面層的克分子自由能較內部大，簡稱界面能。單位界面面積上的界面能稱比界面能，即增加單位界面面積所需的功 ^[2]  。

近年來，晶界中的失配位錯成為關注的重點，周耐根等運模擬了負失配條件下的外延鋁簿膜中失配位錯的形成，發現材料界面上的失配位錯網結構影響位錯運動以及位錯間的交互作用，進而影響晶界的力學性能。一些研究者陸續得到了納米晶體的孿晶晶界、對稱傾側晶界、非對稱傾側晶界的塑性行為。劉小明等研究了單向拉伸作用下單晶Cu扭轉晶界的塑性行為，給出了扭轉角度與拉伸強度的關係，同時得到了Cu單晶柱的理想強度。通過研究可以發現，晶界上的失配位錯網影響着位錯的形核以及位錯間的相互作用，失配位錯網的結構和其變形機制對晶體材料的製備和加工具有重要的指導意義。

A 和B 兩個晶粒組成的雙晶體，Z 方向為兩個晶粒的[100]方向，晶界為扭轉晶界，θ 為兩個晶粒之間的扭轉失配角度，上下兩個晶粒分別沿[100]軸分別旋轉θ 2和−θ 2形成初始構型。x，y，z 方向均採用自由表面邊界條件，晶體Cu 原子之間的作用勢能採用Mishin 等提出的嵌入勢能（EAM），模擬過程分為兩個步驟完成：

第1 步，生成穩定初始構型。首先生成兩個單晶元胞，然後將其沿[001]軸旋轉生成具有扭轉晶界的雙晶體，最後對生成的雙晶體採用共軛梯度法弛豫使其達到能量最小的穩定構型。

第2 步，採用等温正則系綜，對穩定的構型進行加載。為避免温度對剪切載荷過程位錯的熱激活的影響，在模擬過程中，採用Nose-Hoover 熱浴將系統調節在比較低的温度1K 附近。減小加載的邊界效應，選取[100]方向底部和頂部的4 層原子分別為加載原子層。在加載過程中，每個原子的運動採用蛙跳積分求出其速度和加速度，時間步長取為Δt =1.5×10−3 ps。每次沿[010]方向施加 0.48%的單向剪切應變，然後弛豫1000 步，重複此剪切、弛豫過程100 次，直到加載完畢 ^[3]  。

Cu柱的屈服強度隨着扭轉角度的增加先升高後降低，臨界角度0θ 約為13 度，對於低角度扭轉晶界（扭轉角小於0θ ），Cu 柱的屈服應力隨着扭轉角度的增加而增加，此時晶界的強化機制表現為晶界處發生位錯形核；對於高角度扭轉晶界（扭轉角度大於0θ ），Cu 柱的屈服強度隨着扭轉角度的增加而急劇減小，此時晶界的強化機制表現為晶界兩側晶粒在晶界處的滑動。

通過計算發現，扭轉晶界對Cu 晶體的力學性能有很大影響，Cu(100)扭轉晶界晶體在剪切載荷作用下，晶界的結構形態決定變形中的塑性行為。低角度晶界，晶界處位錯密度稀疏，失配位錯密度低，晶界能低，晶粒間滑動趨勢降低，Cu 柱屈服主要表現為晶界處的位錯形核與擴展；高角度扭轉晶界，晶界處形成面缺陷，失配位錯密度高，晶界能高，晶粒間滑動趨勢增強，Cu 柱的屈服表現為晶界滑動。不同扭轉角度的扭轉晶界屈服應力不相同，存在臨界角度0θ ，低於臨界角0θ ，晶界處的位錯形核佔主導，屈服應力較高；高於臨界角0 θ，晶界滑移佔主導，屈服應力降低 ^[2]  。