D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.01.008 第21卷第1期 北京科技大学学报 Vol.21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 加载速率对位错发射、层错宽度及位错速度影响 周国辉) 焦治杰) 武骏)周富信)褚武扬” 1)北京科技大学应用科学学院，100083，北京2)北京科技大学冶金学院，100083，北京3)中科院力学所，100080，北京 摘要应用分子动力学方法研究了Cu和A1单晶在Ⅱ型加载条件下，加载速率对位错发射、层错 宽度W及位错速度V的影响.结果表明，加载速率对W和V,有显著影响.随着加载速率的增大，层 错宽度减小，位错速度增大，当加载速率达到某一临界值时，能量不仅以发射位错的形式释放，而 且形成孪品，以降低体系的能量， 关键词分子动力学；偏位错，位错分解；Cu;Al 分类号0772；TG111.2 材料的断裂本质上讲是原子键的断裂.分子 m,4,用蛙跳法俐来计算原子的速度和位移.时间 动力学模拟作为对原子运动的确定性描述，是一 步长△t=0.02ps(1ps=102g).晶体初始温度 种研究材料断裂、微观结构和许多热力学性质的 为40K,初始速度服从Maxwell-Boltzmann分布. 有力手段.张永伟借此方法研究了Cu单晶应力 强度因子与裂纹和滑移面夹角的关系，M.I. 2计算结果及讨论 Baskes等人研究了Ni晶体中的点阵缺陷对H 的捕获.R.G.Hoagland等人研究了裂尖附近应 2.1 Burgers矢量的确定 力和应变场.最近S.J.Zhou等人成功地实施真 面心立方位错的Burgers基矢为(a。/2) <110>,因而可以计算出该模型中发射的位错 正的三维分子动力学模拟，原子数达到几千万 个，得到了与以前仅用少量原子模拟所不能得到 Burgers矢量的大小和方向.在图1中，三轴方向 的结论，并修正了一些错误的结论.其结果更进 分别为X[110],Y[111】和Z[112】.发射的位错沿 一步地与实验相符，显示出诱人的应用前景. [110]方向运动，纸面为[112]的投影.X方向相邻 本文以Cu和A!为研究对象，研究加载速率 原子间距为（√2/4）a。,Y方向相邻原子间距 与位错发射、位错速度及层错分解宽度的关系， 为(W313),Z方向相邻原子间距为(V6/12) 。·用右手定则作柏氏回路，即用右手的拇指指向 1计算模型 位错线的方向，其余四指的方向作为柏氏回路的 Cu和Al都是fcc结构的晶体，取应用较为广 方向，在图1中表示为顺时针方向.可以发现，围 泛的Finnis-.Sinclair势函数.位错择优在密排面产 生，并沿密排方向运动.因为密排面的Nabar- ro-Pierrels力最小.对于fcc晶体，位错在{1Il}面 沿<110>方向运动.在该模型中，<110>为位错运 动方向，采用Ⅱ型加载.Y方向选取20个周期，X 方向选取70个周期，Z向选取1个周期，原子总 数约为6300个.用Ⅱ型各向异性位移场来描述X 方向和Y方向边界各原子的位移，而Z方向则采 用周期性边界条件（应变为0）.晶体内部各原子 的运动遵循牛顿第二定律，即，=-∂中/∂r,= 1998-01-04收稿周国辉男，27岁，博士生 图1柏氏矢量回路图 *国家自然科学基金资助课题(No.59771051,59871010)第 21卷 1 9 9 9年 第 1期 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s iyt o f S e i e n e e a n d T e c h n l o yg B e ij ni g V 0 1 . 2 1 F e b - N 0 . 1 19 9 9 加载速率对位错发射 、 层错宽 度及位错速度影响 周 国辉 )l 焦 治 杰 ’ ) 武 骏 2) 周 富信 3) 褚武扬 ` ) l)北京科技大学应 用科学学 院 , 10 0 0 8 3 , 北京 2 ) 北京科技大学 冶金学 院 , 10 0 0 5 3 , 北京 3 ) 中科院力学所 , 10 0 0 50 , 北京 摘 要 应 用分子 动力学方法研究 了 C u 和 A l单 晶在 n 型加载条件 下 , 加载速率对位错发射 、 层错 宽度 砰 及位错速度 玲 的影 响 . 结果表明 , 加 载速率对 牙和 玲有 显著影响 . 随着加载速率的增大 , 层 错宽度 减小 , 位错速度 增大 . 当加载速率 达到某 一临界值时 , 能量不仅 以 发射位错 的形 式释 放 , 而 且形成孪晶 , 以 降低体系的能量 . 关键词 分子动力学 ; 偏位错 , 位错分解 ; C u ; lA 分类号 0 7 7 2 ; T G 1 1 1 . 2 材 料 的 断 裂本 质 上 讲是 原子 键的 断裂 . 分 子 动力 学模 拟 作为 对原子 运 动 的 确定 性 描述 , 是 一 种研 究 材料 断 裂 、 微 观 结构 和 许多 热力 学性 质的 有力 手段 . 张永 伟 1[] 借 此方 法研 究 了 C u 单晶 应力 强 度 因 子 与 裂 纹 和 滑 移 面 夹 角 的 关 系 . M . I . B as k es l2] 等 人 研 究 了 N i 晶 体 中 的点 阵 缺 陷 对 H 的捕获 . R . G . H ao gl an dls l 等人研究 了 裂 尖附 近应 力 和 应 变 场 . 最 近 S . J . Z h o u 等 人 成 功 地 实 施 真 正 的 三 维 分子 动 力 学 模拟 , 原 子 数达 到 几 千 万 个 , 得到 了与 以 前仅用 少 量原子 模 拟所 不 能得 到 的 结论 , 并 修 正 了 一 些 错 误 的结 论 . 其结 果 更 进 一 步地 与实 验相 符 , 显示 出诱人 的应用 前景 . 本 文 以 C u 和 A I 为研 究 对象 , 研究 加 载速 率 与 位错 发射 、 位 错速度及 层错 分解 宽度 的关系 . m i刃 . 用 蛙跳 法“ ,来 计算 原子 的速 度 和位移 . 时 间 步 长 乙 r = 0 . 0 2 p s ( 1 p s = 10 一 ’ 2 5 ) . 晶 体初 始温 度 为 4 0 K , 初 始速度服 从 M ~ el 一 B 。 】七而仙 n 分布 . 1 计算模型 C u 和 A I 都是 fe c 结构 的 晶体 , 取应 用较 为广 泛 的 iF n in s 一 S in cl ia r 势 函 数 . 位错 择优 在密 排 面产 生 , 并 沿 密 排 方 向 运 动 . 因 为 密 排 面 的 N ab ar - r o 一 P i e r e l s 力 最小 . 对于 fr 。 晶体 , 位错 在 笼1 1 1} 面 沿 l< 1 0 > 方 向运动 . 在 该模 型 中 , l< 10 > 为位 错 运 动方 向 . 采 用 n 型 加 载 . Y 方 向选 取 20 个周 期 , X 方 向选 取 70 个周 期 , Z 向 选取 l 个 周 期 , 原 子总 数约 为 6 3 0 0 个 . 用 n 型各 向异性 位 移场来 描述 X 方 向和 Y 方 向边 界 各 原子 的位 移 , 而 Z 方 向则 采 用周 期 性 边界 条 件 ( 应 变 为 0) . 晶体 内部各 原子 的运 动 遵循牛 顿第 二 定 律 , 即只 = 一 刁中 / a : ` = 2 计算结果及讨论 2 · 1 B u r g e r s 矢 . 的确定 面 心 立 方 位 . 错 的 B gur e sr 基 矢 为 a( 。 / 2) < 1 10 > , 因 而 可 以 计 算 出 该 模 型 中 发 射 的 位 错 B ugr e sr 矢量 的大 小 和 方 向 . 在图 1 中 , 三 轴方 向 分别为 X [ 1 10 ] , Y [ 1 1 1 ] 和 Z [ 1 12 ] . 发射的位错 沿 【1 1 0] 方 向运 动 , 纸面 为〔1 12 』的投影 . X 方 向相 邻 原 子 间 距 为 ( 扼 / 4) a0 , Y 方 向 相 邻原 子 间 距 为 (行 13 ) a0 , z 方 向相邻原子 间距为 ( 而 / 12 ) a 。 . 用右手 定则作柏氏 回路 , 即用 右手 的拇指指 向 位 错线 的方 向 , 其余四 指 的方 向作为柏 氏 回 路的 方 向 , 在 图 1 中表示 为顺 时针方 向 . 可 以 发 现 , 围 I 止均 八 \ \ ’ { { { 、 日 一甘六寸 } 、 -犷村厂t 门 川片 日 一 」日` I 19 98 一 1 一 04 收稿 周 国辉 男 , 27 岁 , 博 士 生 * 国家 自然科学基金资助课题 (N o . 5 9 7 7 l o s l , 5 9 8 7 10 10 ) 图1 柏氏矢t 回路 图 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 01. 008