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晶界动力学的新理论

大多数金属、合金和陶瓷是晶体,它们的原子周期性地排列在晶格中。完美的晶体具有相同的周期性结构。大多数晶体是由不同的晶体颗粒组成的,所有这些晶体颗粒都具有相同的原子结构,但取向彼此不同。


材料学家特别关心这些晶粒间边界——晶界,因为在晶界中更可能发生腐蚀和其他的损坏。了解晶界在受到外力作用时如何移动,是材料微结构工程的基础。


美国宾夕法尼亚大学陈孔韬博士及其合作者,通过位错的统计物理模型和分子动力学模拟,说明了晶界迁移率(晶界动力学里最重要的系数)其实是一个二阶对称矩阵,而不是目前科学家普遍认为的标量。


晶界迁移率是晶界速度和驱动力之间的比例系数。虽然晶界速度通常被认为是晶界沿着法向的运动速度,但是晶界上下的晶粒也会相对滑移,所以,晶界速度是矢量。由于晶界运动可以被晶界上下的化学势差或切应力所驱动,所以,晶界上的驱动力也是矢量。因此,做为速度和驱动力的比例系数,晶界迁移率必须是矩阵。通过对一个铜的晶界的分子动力学模拟,陈孔韬等发现,晶界迁移率矩阵的所有分量都不为零。其中一些分量随着温度上升而增加,另一些随着温度上升而下降。陈孔韬等提出了一种基于位错的统计模型,说明了在一个临界温度以下,晶界迁移率和温度遵守阿伦尼乌斯方程,而在临界温度以上,晶界迁移率反比于温度(图1)。这个临界温度由位错的能量决定。对于一个晶界,哪个位错发挥主导作用,取决于驱动力的类型和所研究的晶界迁移率分量。最后,陈孔韬等研究了晶界迁移率张量如何影响了经典晶粒生长理论,并说明了晶界运动带来的应力会降低晶界迁移率和晶粒生长速度(图2)。

图1. 晶界迁移率张量的各个分量的温度依赖性。图片来源:PNAS


图2. 晶粒生长中,晶粒大小、切变随时间的演化。图片来源:PNAS


这一成果近期发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 上,文章的第一作者是陈孔韬博士。近年来,陈孔韬博士用统计物理、分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究晶界动力学,以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等发表多篇论文,取得令人瞩目的进展。


(本稿件作者:王昱)


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The grain boundary mobility tensor

Kongtao Chen, Jian Han, Xiaoqing Pan, David J. Srolovitz

PNAS, 2020, 117, 4533-4538, DOI: 10.1073/pnas.1920504117


陈孔韬博士介绍


陈孔韬,宾夕法尼亚大学博士,师从美国工程院院士David Srolovitz,用统计物理、分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究晶界动力学。曾获Acta Student Award (结构材料学顶级刊物Acta Materialia 的年度最佳学生论文奖),President Gutmann Leadership Award (宾夕法尼亚大学授予顶尖研究生的奖项),担任Materials & Design 等期刊审稿人,并受邀在美国麻省理工学院、法国里尔大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室等进行学术报告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等发表多篇论文,并被Justdial.com, Phys.org等国际媒体报道。


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