北航张瑞丰Acta Mater.：在半相干双金属界面中失配错位模式的动态演化对错位成核和剪切滑移的影响

【引言】

失配错位模式在界面介导的变形机制上发挥关键作用，例如在各种平面界面中的错位成核和剪切滑移，然而，特定的机械载荷可以在不同的塑料流出界面之前动态地改变其分布和特性。以高对称分布的失配位错的双金属半相干接口作为说明。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学材料物理与化学系张瑞丰教授团队在国际知名期刊Acta Materialia上发表题为''Effect of dynamic evolution of misfit dislocation pattern on dislocation nucleation and shear sliding at semi-coherent bimetal interfaces''的文章，首次揭示了界面中错失配错位模式的动态演变出现在某些特定界面类型和载荷方案中，最终控制了错位成核和剪切滑动机制更优的位点。与双轴面内张力下错位成核基本不变的特征相对照的是，发现围绕失配错位的节点的初始模式被扭曲，并在单轴平面载荷作用下，在界面内各向异性扩散，这反过来又控制着错位成核的非-Schmid现象。根据失配错位模式的特点，也观察到剪切滑移机制与接口处失配错位的的孔扩散的各向异性特征之间的相似关系。

他们进一步的研究表明，失配位错模式的动态演化可能会对于不同类型的界面有显著差异，从而有助于不同位错成核和剪切滑移的机制。这些结果表明有必要探究失配错位模式的动态演化，以便更实际地理解界面主导的可塑性。

【图文导读】

图1. 未折射的Cu {111} // {111} Ni界面示意图

（a）未弛豫的Cu{111}//{111}Ni界面的原子结构的顶视图；

（b）开放的汤普森四面体；

（c）（111）界面的几何特征，FCC，HCP位点和Burgers向量；

（d）界面处FCC，HCP和HESF区域的相邻层之间的原子排列。

图2. Cu {111} // {111} Ni和Cu {111} // {111} Ag界面的原子结构图，离散矢量图和Nye张量图

（a）弛豫Cu{111}//{111}Ni界面处的界面显示失配位错图案的界面；

（b）弛豫Cu{111}//{111}Ni界面；

（c）Cu{111}//{111}Ni弛豫界面；

（d）具有立方体方位关系的弛豫Cu{111}//{111}Ag界面的原子结构；

（e）弛豫Cu{111}//{111}Ag界面的离散矢量图

（f）Cu{111}//{111}Ag的弛豫界面的Nye张量图

表1. 在不同拉伸载荷方向下12个部分fcc滑移系统的计算Schmid因子

表2. 不同压缩载荷方向下12个局域fcc滑移体系的Schmid因子

图3. 位错成核现象示意图

（a）面内双轴拉伸载荷；

（b）面内双轴压缩载荷；

（c）沿[112]单轴拉伸载荷；

（d）沿[110]单轴压缩载荷，Cu{111}//{111}Ni界面Shockley部分成核的的特征。

原子的蓝色和橙色分别表示Cu和Ni原子的类型，深红色表示局部hcp结构，即fcc内的堆垛错误。此外，白色的原子表示未知的原子。错位脱位的线感标记为虚线。

图4. 始于Cu {111} // {111} Ag界面处的肖特基局域成核示意图

（a）面内双轴压缩载荷下；

（b）沿[112]的单轴拉伸载荷下；

（c）沿[112]的单轴压缩载荷下的Cu{111}//{111}Ag界面的Shockley局域成核特征。

原子的蓝色和橙色分别表示Cu和Ag原子的类型，深红色表示局部hcp结构，即fcc内的堆垛错误。此外，白色的原子表示未知的原子。

图5. 根据过量势能着色的Cu {111} // {111} Ni弛豫界面的原子结构图和Cu{111}//{111}Ni界面的Nye张量图

原子结构图：

（a）平衡时；

（b）双轴拉伸时；

（c）双轴压缩载荷时；

Nye张量图：

（d）在双轴拉伸下的平衡时；

（e）和（f）分别在双轴压缩下。

图6. Cu {111} // {111} Ni界面的离散矢量图

（a）（d）初始阶段；

（b）（f）芯扩展阶段；

（c）（g）双轴拉伸负载下的成核阶段；

虚线表示释放晶格位错的滑移平面的迹线

图7. Cu{111}//{111}Ni界面的原子结构和在界面处发生的错位反应时对应的失配错位模式的转变

原子结构：

（a）在平衡时；

（b）在单轴拉伸下；

（c）沿x-[112]的单轴压缩;

失配错位模式的转变：

（d）在平衡时；

（e）单轴拉伸；

（f）单轴压缩下；

（g）单轴拉伸下；

（h）沿着错位成核的x-[112]之间的压缩以示意图。

图8. Cu{111}//{111}Ni界面的离散向量图

（a）（d）初始阶段；

（b）（e）演化阶段；

（c）（f）单轴拉伸负载下的成核阶段；

图9. Cu-Ni半相干界面上的有效应力应变曲线和剪切变形期间失配位错的特征

（a）沿[112]方向剪切下的Cu{111}//{111}Ni界面的有效应力-应变曲线；

（b）初始阶段；

（c）中间阶段；

（d）剪切变形期间的扩展阶段的排列向量图。

图10. 局部剪切应力图

（a）沿[112]方向下的Cu{111}//{111}Ag界面的有效剪切应力-应变曲线；

（b）初始阶段；

（c）中间阶段；

（d）剪切变形期间的扩展阶段的排列向量图。

【小结】

在本工作中，张瑞丰教授团队使用原子模拟证明了三个具有代表性的Cu-Ni，Ag-Pd和Cu-Ag {111}半相干界面中的位错成核和剪切滑移以及失配位错模式的动态演化过程，及其位错成核和剪切滑移的相关机理。从而对接口主导的可塑性有了一个切贴的认识。

文献链接：Effect of dynamic evolution of misfit dislocation pattern on dislocation nucleation and shear sliding at semi-coherent bimetal interfaces （Acta Materialia,  2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.012）

本文由材料人计算材料学术组Carbon编译，材料牛整理编辑。

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