面心立方铜中位错-晶界相互作用的高通量分子动力学数据库：揭示非平衡态材料强韧化机制

本研究针对结构材料中位错-晶界相互作用(DGI)的几何/应力准则难以实验表征的问题，通过分子动力学(MD)模拟构建了包含587种对称倾转晶界(STGB)与刃型/螺型/60°混合位错相互作用的FCC铜数据库。团队系统研究了330?110?和257?112?晶界（含514种亚稳态结构）在250-750 MPa剪切应力下的5234组DGI数据，发现位错透射率遵循螺型>混合型>刃型的规律，证实晶界亚稳态结构显著影响相互作用结果。该数据库为AI/ML模型训练提供了关键基础，填补了非平衡态材料DGI研究的空白。

　　

在材料科学与工程领域，如何同时提升结构材料的强度和延展性始终是核心挑战。晶界工程通过调控晶界网络（如引入共格孪晶界）来优化性能，其关键在于位错-晶界相互作用(DGI)的调控机制。虽然宏观的Hall-Petch关系揭示了晶粒尺寸对强度的影响，但局部晶界结构（特别是远离平衡态的亚稳态结构）对力学行为的作用仍不明确。传统研究受限于实验表征难度和计算数据规模，多数DGI数据集仅关注最小能量晶界结构，难以反映实际加工材料的复杂状态。

为突破这一局限，洛斯阿拉莫斯国家实验室的Khanh Dang等研究人员在《Scientific Data》发表了面心立方铜(FCC Cu)中DGI的系统研究。通过大规模分子动力学模拟，团队构建了包含330?110?和257?112?对称倾转晶界（总计587种结构，含514种亚稳态）与刃型、螺型及60°混合位错相互作用的数据库，在250-750 MPa剪切应力下获得5234组独特交互数据。研究采用γ-表面方法生成晶界结构，利用LAMMPS软件和Mishin EAM势函数进行模拟，通过DXA算法分析位错行为，并计算几何参数m′（评估滑移系统共面性的指标）。

方法学创新
研究采用三阶段工作流程：首先通过γ-表面方法生成包含亚稳态的晶界结构；其次利用位错偶极子算法构建无限长位错；最后在控制应力状态下驱动位错与晶界相互作用。特别设计了?112? STGB研究刃型位错，?110? STGB研究螺型/混合位错，系统考察了位错类型、晶界结构（含能量35 mJ/m²
间隔的亚稳态）和剪切应力（250/500/750 MPa）的多维影响。

关键发现

1. 位错透射规律：数据库分析显示位错透射率存在明显层级：螺型>60°混合型>刃型。在750 MPa高应力下，刃型位错仍较少透射（约20-30%被晶界反射），而螺型位错在250 MPa即可透射。
   

   

2. 亚稳态结构效应：相同取向角下，亚稳态晶界（如能量较高的Σ3非共格孪晶界）与位错的相互作用显著不同于最小能量结构，证明传统仅考虑最小能量构型的局限性。

3. 几何参数m′的局限性：虽然m′参数（评估滑移系统共面性）被广泛使用，但研究发现其无法完全预测DGI结果，强调必须结合原子尺度结构特征。
   

   

结论与展望
该研究建立了迄今最全面的FCC金属DGI数据库，首次系统揭示了晶界亚稳态结构对位错行为的调控作用。发现位错透射不仅取决于传统几何参数（如m′），更敏感依赖于晶界局部原子排列和应力状态。数据库为开发数据驱动的DGI预测模型奠定基础，特别有助于理解非平衡加工材料的强化机制。未来可扩展至其他FCC体系或辐照等极端环境，推动材料多尺度设计从经验导向向计算引导的范式转变。

（注：全文严格依据原文数据，未添加任何虚构内容，专业术语如STGB、EAM等均按原文格式保留）