剧烈塑性变形过程中的晶粒细化与位错胞（dislocation cell）形成的相似律（Similitude）：分子动力学（Molecular Dynamics, MD）研究

《Advanced Engineering Materials》：Grain Refinement During Severe Plastic Deformation and Similitude of Subgrain Formation: A Molecular Dynamics Study

　　

摘要：研究人员采用分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟方法，对单晶及多晶纯铝样品进行多向压缩（multiaxial compression）以模拟剧烈塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD），追踪了晶体取向、流变应力、位错密度及位错结构的演变。结果表明，单晶变形早期形成位错胞（dislocation cells）及亚晶界（subgrain boundaries），随变形进行亚晶取向差逐渐增大直至发生晶粒细化；单晶与纳米晶样品经SPD后均达到相似的稳定晶粒尺寸分布，模拟中亚晶尺寸约为～20 nm，与真实实验趋势吻合。本研究首次证明亚晶形成的相似律（principle of similitude）在跨越12个数量级的应变率范围内依然成立。但需注意，模拟中使用的高应变率（109s?1）相较于真实实验会产生更高的位错密度（(2–4)×1013cm?2）及更高的流变应力（～1600 MPa）。

论文解读：《Grain Refinement During Severe Plastic Deformation and Similitude of Subgrain Formation: A Molecular Dynamics Study》发表于《Advanced Engineering Materials》

一、研究背景与意义

分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟已被广泛用于纳米晶材料变形机理研究，但受计算能力限制通常只能模拟几纳米尺度的晶粒且变形量有限，难以观察剧烈塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）诱发的组织演变。此外，MD模拟使用极高应变率（10⁸–10⁹s^?1），而真实实验通常为10^?3s^?1左右，二者是否存在跨尺度相似律（principle of similitude）尚不清楚。常规MD多晶模型常缺乏初始可动位错，影响塑性启动阶段的真实性。因此，研究人员通过开展大变形MD模拟，探究单晶与纳米晶铝在SPD过程中从位错胞到亚晶再到晶粒细化的全过程，并验证亚晶尺寸—应力—位错密度关系是否符合实验已有的相似律，具有重要的理论对照价值。

二、主要技术方法

研究人员利用Atomsk构建初始结构，LAMMPS进行MD模拟，Ovito进行后处理。设两个初始体系：单晶铝（500×500×5个面心立方face-centered cubic, FCC单胞，[001]平行X/Y/Z方向，准二维quasi-2D条件）与纳米晶铝（随机400晶粒，约1.25×10⁶原子）。采用Embedded Atom Model（EAM）铝势函数，300 K平衡10 ps后施加多向交替压缩（multiaxial compression，交替X、Y方向加载，每阶段间卸载弛豫10 ps于NPT系综300 K、0 MPa），单晶累计真应变～450%（七阶段），纳米晶累计～260%（四阶段），应变率10⁹s^?1，NPT控温防绝热升温。结构分析采用Polyhedral Template Matching（PTM）定晶体取向，Grain Segmentation定晶粒/亚晶，Dislocation Analysis（DXA）分Burgers矢量类型（Shockley不全位错1/6〈112〉、全位错1/2〈110〉、stair-rod 1/6〈110〉、Hirth 1/3〈100〉、Frank 1/3〈111〉）并计算位错线总长与密度。

三、研究结果

3.1 Monocrystal（单晶铝SPD结果）

通过PTM追踪局部晶体取向发现，初始单晶在50%应变后出现微小取向波动，随有效应变增大不同区域旋转量增大且相邻体积间取向差（misorientation）增加，变形晚期整体碎化为数百个取向各异的体积——即发生晶粒细化，取向图模式与EBSD观测SPD粗晶样品类似。流变应力初期因完美晶体无缺陷出现高位错形核峰，随后降至～1600 MPa平台（ε_eff=0.2–1.4），后期轻微加工硬化至～1900 MPa。位错密度初期为零，形核后波动减小；换加载方向时Shockley不全位错和部分stair-rod及Hirth位错有所回缩（recovery），全位错与Frank位错较稳定，总位错密度在SPD过程中由(3–4)×10¹³cm^?2微降至(2–3)×10¹³cm^?2，非晶（noncrystalline）原子体积分数逐步上升。应变10%时大量可动Shockley不全位错沿滑移系运动并交割产生不动位错段；20%时应变形成低缺陷位错胞（dislocation cells）——内部少位错、周边高位错密度；50%应变时胞壁变窄且两侧出现晶体取向差，转为亚晶（subgrain）结构；继续变形亚晶取向差持续增大，最终多数边界转为大角度晶界（High-Angle Grain Boundary, HAGB），亚晶尺寸基本稳定在～20 nm。局部剪切应变分析显示：早期剪切较均匀靠位错滑移协调；中期亚晶内单滑系激活、不同亚晶不同滑系致取向差增大；大应变（～430%）后剪切高度集中于(亚)晶界处，表明晶粒边界滑动（grain boundary sliding）成为重要变形机制。

3.2 Nanocrystal（纳米晶铝SPD结果）

初始纳米晶具大量高取向差小晶粒，SPD过程中发生晶粒长大（grain coarsening），部分大晶粒内部出现低角度亚晶界。流变应力略高于单晶（～2400→～2300 MPa），因初始已含高密度缺陷故无形核应力峰。位错密度变化不大，非晶体积分数下降（归因于晶界迁移合并导致的晶粒长大）。尽管起始结构差异显著，最终纳米晶经SPD后也演化出平均～20 nm的稳定晶粒尺寸分布，与单晶SPD终态的晶粒尺寸分布高度相近，说明SPD能驱动不同初始组织趋向同一饱和（saturation）晶粒尺寸分布。

四、讨论与结论总结（翻译并浓缩Conclusion部分及Discussion要点）

研究人员通过MD模拟单晶与纳米晶铝的多向压缩SPD过程，证实：①单晶铝压缩中产生高位错密度，位错排列成位错胞进而形成亚晶，随塑性变形亚晶取向差增大最终完成晶粒细化，与文献实验观察一致；②尽管MD模拟应变率高出实验约12个数量级并产生更高位错密度与流变应力、更细亚晶，但亚晶尺寸δ与流变应力σ满足δ∝K/σ（K≈11）及δ∝ρ^?m（m≈0.8，ρ为位错密度），符合实验广泛报道的相似律（principle of similitude），表明该规律在极端条件下仍适用；③纳米晶铝经SPD发生晶粒长大并趋近与单晶SPD相同的稳定晶粒尺寸分布（～20 nm），说明存在与初始组织无关的SPD饱和晶粒尺寸。综上所述，剧烈塑性变形可使纯铝无论起始于单晶或纳米晶均趋于相同稳定亚晶/晶粒尺寸分布，亚晶形成符合跨应变率的相似律，机械激活可在无明显热激活贡献下独自导致组织饱和细化。

Figueiredo, R. B. 为本文唯一作者，工作获CNPq、FAPEMIG及CAPES资助支持。