摘要
晶界作为金属材料微观组织的重要组成部分，直接影响材料的力学性能和化学性能等。晶界能和晶界迁移率作为晶界性能的两个参数，受晶界取向和温度等影响，在微观组织内呈各向异性分布。二者的定量测定和计算，可以为探究材料在再结晶和晶粒长大过程中微观组织演变的机理提供重要依据。 本研究基于分子动力学理论，构造了能完整表征晶界取向的双晶模型，利用该模型定量计算Al和Ni两种面心立方金属中不同类型晶界的晶界能，分析晶界能与取向差角和晶界面取向的相关性;同时，改进用于定量计算晶界迁移率的合成驱动力-分子动力学(SDF-MD)方法，利用改进方法计算上述金属的晶界迁移率，探讨晶界迁移与晶界取向、迁移驱动力及温度的相关性。最后，将本研究结果与已有实验和模拟结果进行了比较。得到如下主要结果和结论: (1)金属Al和Ni<100>、<110>、<111>对称倾斜晶界(STGB)和<111>扭转晶界(TWGB)的晶界能结果表明，晶界能同时受晶界取向的5个自由度影响，与取向差角和重位因子之间不存在特定的关系;对于同类晶界，两种金属晶界能随取向差角的变化趋势相同，而因原子间势能不同，Ni的晶界能明显高于相同晶界的Al。 (2)与原始SDF-MD方法相比，改进的SDF-MD方法利用差值序参量表征具体温度下整个双晶体系内原子排列偏离初始排列的程度，利用由原子排列和温度决定的临界序参量以及表征晶界宽度的跨晶界区界定晶粒和晶界原子，解决了原始方法使体系非正常受力的问题。 (3)当使用改进SDF-MD方法研究晶界迁移时发现，晶界的迁移速率不随迁移方向改变，且与驱动力呈明显的线性关系;晶界迁移率不随取向差角和重位因子改变而呈现规律性变化，当取向差相同时，迁移率还受晶界面取向的影响。对于同类晶界，Al和Ni晶界的迁移率随取向差角的变化趋势大致相同，且二者的迁移率整体上无明显差异。 (4)基于改进SDF-MD方法得到的Al<111>STGB的迁移率与取向差角和温度的相关性，与基于界面能驱动晶界迁移的实验和模拟方法得到的结果一致。在同等条件下，利用改进及原始SDF-MD方法所计算的Ni<110>和<111>STGB的迁移率，不仅在大小上存在显著区别，迁移率随取向差角的变化趋势也不相同。其中，利用改进方法所得到的迁移率呈现出明显的晶界取向和温度相关性。
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