金属钨中螺位错的运动

论文学科类别：130

金属钨中螺位错的运动

田晓耕1， Chungho Woo2

1. 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，西安，710049

2. 香港理工大学机械工程系，香港，九龙，红磡

摘要采用Acland势，利用分子动力学方法研究了剪切力作用下金属钨中1/2a<111>螺位错的运动。根据线弹性理论在完好体心立方晶体中形成位错线沿<111>方向的螺位错，施加合适的边界条件对含螺位错的原子结构进行松弛，获得平衡态的位错结构。发现平衡态的位错核心由位于{110}平面三个沿<112>方向呈对称的皱褶组成。当外加剪力增大到一定程度时位错核心将会运动。当剪切力较小时，位错核心运动呈现“之”字形；剪

2[方向以直切力增大后，位错运动开始阶段仍呈“之”字形运动，以后位错主要沿]

线运动，位错运动的速度随着施加剪切力的增加而增大。同时发现使螺位错开始运动的派纳力明显大于刃位错的派纳力。

关键词分子动力学；螺位错；错合度

The movement of screw dislocations in tungsten

Tian Xiaogeng1 Chungho Woo2

1.The State Key Laboratory of Mechanical Structural Strength & Vibration, Xi’an

Jiaotong University, Shaanxi, 710049, P. R. C.

2.Department of Mechanical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University,

Hung Hom, Kowloon, Hong Kong

Abstract Using Acland potential for tungsten, the movement of 1/2a<111> screw dislocation under shear force was investigated by molecular dynamics simulation. Equilibrated core structure was obtained by relaxation of screw dislocation with proper boundary conditions. We found that the equilibrium dislocation core has three-fold symmetry and spread out in three <112> direction on {110} planes. The dislocation moves in zigzag at the beginning of the dislocation moves or when the acted shear stress is small. When the shear stress gets larger,

2[ direction，and the larger shear

11

the dislocation will move almost in straight line in ]

stress applied, the higher velocity obtained. We also found that the mobility of screw dislocations is lower than edge dislocations.

Key words Molecular dynamics, Screw dislocation, Disregistry

前言

很多晶体的物理性质都或多或少地受到晶体中位错的影响，特别是位错的动态特性在塑性理论中起着重要的作用，如晶体中位错的密度和运动速度就直接决定了材料的塑性行为。因此从理论上深刻理解位错特性对了解晶体材料的特性是非常重要的。

随着高性能计算机的快速发展，在描述材料结构和特性方面利用化学和物理模型进行原子级模拟成为非常重要的手段。Vitek在1976年完成了螺位错运动的原子级研究[1]，采用三种不同的原子势获得剪切力作用下螺位错的运动特性。体心立方晶体金属中的1/2a<111>螺位错被采用不同模拟方法进行过研究，Xu和Moriarty研究了金属钼中1/2a<111>螺位错的核结构、核能量、派纳力和双扭节（kink-pair）形成能等；对过渡金属中的1/2a<111>螺位错则采用从第一原理广义虚势理论(MGPT)得到的多离子原子势[2],[3]进行研究；Ismail-Beigi和Arias采用从头开始方法研究了过渡金属钼和钽中的1/2a<111>螺位错[4]，获得含有对称和紧凑位错核心的体心立方晶体塑性特性相反于基于连续介质和原子间势得到、已被普遍接受的塑性特性；Schroll等采用嵌入原子势方法研究了化合物NiAl中位错核心的特性及其运动特性，确定了含有刃位错、螺位错和混合位错的直线位错的特性[5]。

本文采用Acland势，应用分子动力学方法研究体心立方晶体金属钨中螺位错在剪切力作用下的运动特性，发现螺位错的运动方向和速度与所施加的剪切力大小有关，而且使螺位错运动的派纳力比使刃位错运动的派纳力大许多。

1模拟方法

位错可以完全由伯格斯矢量b和位错线描述，不失一般性，产生位错原子结构的方法如下：根据各向异性弹性理论获得位错的原子晶格坐标，通过改变完好结构中原子的空间位置从而在晶体中获得一个位错[6]，将周期边界条件施加在平行于位错线方向以得到一个无限长的直线位错，结构最外面的原子被固定在由弹性解得到的位置（或采用周期边界条件），内部的原子可以自由运动，然后采用共轭梯度算法对形成位错的结构进行松弛，使各个原子获得它们的平衡位置，系统的应变能达到最小。根据位错结构特点，刃位错除位错线方向施加周期边界条件外，另外两个与位错线垂直的方向也可以施加周期边界条件，表示结构沿这两个方向位错将周期性出现。但对于螺位错，其结构在垂直于位错线的平面内不满足周期性条件，因此不能施加周期边界条件，只能施加固定边界条件。有学者在研究螺位错时仍采用周期边界条件，他们在研究的原子结构中形成四个螺位错，两两相邻的螺位错形成时采用反方向处理（下面介绍螺位错形成时会加以说明），以此四个螺位错为基本单元就可以采用周期边界条件处理[7]，表示两个相反的螺位错周期地在结构中重复出现。但这样处理不适合研究单个位错在剪切力作用下的移动，本文采用固定边界条件，为了消除固定边界对位错核心运动的影响，结构形成时保证在垂直于位错线方向的尺寸足够大。如果以位错线所在位置为圆柱轴线，研究发现，当圆柱形原子结构的半径超过35个晶格常数（约100Å）时，{100}螺位错的运动特性几乎不受边界条件的影响[5]。