廣義層錯(cuò)能視角下立方金屬塑性變形機(jī)制的原子模擬解析一、緒論1.1研究背景與意義立方金屬作為一類重要的工程材料，在航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其塑性變形機(jī)制一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，深入理解立方金屬的塑性變形機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化材料性能、開發(fā)新型材料以及提高材料的加工工藝水平都具有至關(guān)重要的意義。塑性變形是金屬材料在受到外力作用時(shí)，發(fā)生不可逆的永久變形的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在金屬加工過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，是鍛造、軋制、擠壓、拉拔等各種金屬加工工藝的基礎(chǔ)，通過(guò)這些工藝能夠制造出各種形狀和尺寸的金屬零件。同時(shí)，塑性變形對(duì)材料的性能也有著深遠(yuǎn)的影響，通過(guò)控制塑性變形，可以顯著改善金屬材料的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等性能，以滿足不同工程應(yīng)用的需求。在航空航天領(lǐng)域，需要材料具備高強(qiáng)度和輕量化的特點(diǎn)，通過(guò)精確控制塑性變形，可以優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的強(qiáng)度重量比，降低飛行器的重量，提高其性能和效率；在汽車制造領(lǐng)域，要求材料具有良好的沖壓性能和碰撞吸能特性，深入研究塑性變形機(jī)制有助于開發(fā)出更適合汽車制造工藝的材料，提高汽車的安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。在立方金屬的塑性變形機(jī)制中，廣義層錯(cuò)能起著舉足輕重的作用。層錯(cuò)能是指層錯(cuò)區(qū)域內(nèi)的化學(xué)自由能和應(yīng)變能、界面能之差值，從晶體結(jié)構(gòu)學(xué)角度來(lái)看，它被視為一種類似于孿晶的晶體結(jié)構(gòu)變化，在層錯(cuò)中原子的堆垛錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致能量增加，這一增量就是層錯(cuò)能，通常被認(rèn)為是兩倍的退火孿晶界能，不過(guò)也有研究表明，層錯(cuò)能應(yīng)該包括體積能量和表面能量，當(dāng)應(yīng)變能和化學(xué)自由能之和能夠抵消表面能時(shí)，層錯(cuò)核心就會(huì)自發(fā)擴(kuò)展。廣義層錯(cuò)能則是一種可以量化平面層錯(cuò)難易程度的方法，與額外變形模式，例如位錯(cuò)滑移和孿生密切相關(guān)。廣義層錯(cuò)能直接影響著位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用。當(dāng)金屬的層錯(cuò)能較低時(shí)，完整位錯(cuò)會(huì)分解成多個(gè)部分位錯(cuò)，這些部分位錯(cuò)之間通過(guò)層錯(cuò)區(qū)域相互連接。這種位錯(cuò)的分解和擴(kuò)展使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)變得更加復(fù)雜，需要克服更高的能量障礙，從而影響材料的塑性變形能力。在一些低層錯(cuò)能的金屬中，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到較大限制，材料的塑性變形難度增加，容易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象；而在高層錯(cuò)能的金屬中，位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)，材料的塑性較好，變形過(guò)程中加工硬化程度相對(duì)較低。廣義層錯(cuò)能還對(duì)孿生變形有著重要影響。在低溫、高應(yīng)變速率或滑移系較少的情況下，當(dāng)滑移難以發(fā)生時(shí)，孿生可能成為主要的變形方式，而廣義層錯(cuò)能的大小決定了孿生變形的難易程度。較低的廣義層錯(cuò)能有利于孿生的發(fā)生，因?yàn)閷\生過(guò)程中需要形成新的晶體學(xué)取向，而層錯(cuò)能較低時(shí)，原子的重新排列所需的能量相對(duì)較低，更容易實(shí)現(xiàn)孿生變形。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法雖然能夠直觀地觀察到材料的宏觀變形行為和部分微觀結(jié)構(gòu)特征，但對(duì)于揭示塑性變形過(guò)程中原子尺度的微觀機(jī)制存在一定的局限性。實(shí)驗(yàn)條件的限制使得一些極端條件下的塑性變形行為難以研究，而且實(shí)驗(yàn)觀察往往只能提供某一時(shí)刻的靜態(tài)信息，難以捕捉到塑性變形過(guò)程中原子的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和相互作用。而原子計(jì)算模擬技術(shù)的出現(xiàn)，為深入研究立方金屬的塑性變形機(jī)制提供了新的途徑。原子計(jì)算模擬可以在原子尺度上對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行精確的計(jì)算和模擬，能夠詳細(xì)地描述原子的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡以及原子間的相互作用，從而揭示塑性變形過(guò)程中微觀機(jī)制的本質(zhì)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以模擬材料在不同加載條件下的塑性變形過(guò)程，觀察位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、交互和湮滅等動(dòng)態(tài)行為，以及這些行為與廣義層錯(cuò)能之間的內(nèi)在聯(lián)系；利用第一性原理計(jì)算，可以準(zhǔn)確地計(jì)算廣義層錯(cuò)能等關(guān)鍵物理量，為理論分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持?；趶V義層錯(cuò)能對(duì)立方金屬塑性變形機(jī)制的重要影響，以及原子計(jì)算模擬在揭示微觀機(jī)制方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，開展基于廣義層錯(cuò)能立方金屬塑性變形機(jī)制的原子計(jì)算模擬研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在科學(xué)意義方面，該研究有助于深入理解立方金屬塑性變形的微觀本質(zhì)，豐富和完善材料塑性變形理論，為材料科學(xué)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；在實(shí)際應(yīng)用價(jià)值方面，通過(guò)研究廣義層錯(cuò)能與塑性變形機(jī)制的關(guān)系，可以為立方金屬材料的成分設(shè)計(jì)、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控以及加工工藝優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)，從而開發(fā)出具有更優(yōu)異性能的材料，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能材料的需求，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。1.2立方金屬塑性變形機(jī)制研究現(xiàn)狀1.2.1B2金屬間化合物塑性變形機(jī)制B2金屬間化合物具有體心立方結(jié)構(gòu)，在化學(xué)計(jì)量比下，其晶體結(jié)構(gòu)中一種原子占據(jù)體心位置，另一種原子占據(jù)頂角位置；當(dāng)某一原子高于計(jì)量比時(shí)，會(huì)出現(xiàn)原子占據(jù)亞點(diǎn)陣位置或形成空位對(duì)與錯(cuò)排原子的情況。這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了B2金屬間化合物一些基本性質(zhì)，如具有較高的熔點(diǎn)，這使得它在高溫環(huán)境下能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，適用于高溫工程領(lǐng)域；良好的抗氧化性能，使其在氧化氣氛中能夠抵抗氧化作用，延長(zhǎng)使用壽命；優(yōu)異的抗腐蝕性能，在各種腐蝕介質(zhì)中都能表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性，可用于制造耐腐蝕部件。B2金屬間化合物的塑性變形機(jī)制主要包括位錯(cuò)滑移和孿生變形。位錯(cuò)滑移是其主要的塑性變形方式之一，在不同溫度下，B2金屬間化合物的位錯(cuò)滑移表現(xiàn)出不同的特征。在室溫下，普遍認(rèn)為B2型FeAl金屬間化合物為<111>{110}滑移，這是由于晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得在該滑移系上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的阻力相對(duì)較小，更容易發(fā)生滑移。而在高溫時(shí)，其滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)?lt;001>{110}和<001>{010}，這種轉(zhuǎn)變是由于溫度升高，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，使得原本在室溫下較難啟動(dòng)的滑移系變得更容易激活，從而改變了位錯(cuò)滑移的方式。B2金屬間化合物的位錯(cuò)組態(tài)和位錯(cuò)分解組態(tài)也對(duì)其塑性變形有著重要影響。在塑性變形過(guò)程中，位錯(cuò)會(huì)發(fā)生相互作用和組態(tài)變化，形成復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到障礙物（如其他位錯(cuò)、晶界、第二相粒子等）時(shí)，會(huì)發(fā)生塞積現(xiàn)象，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，應(yīng)力集中增大。為了緩解應(yīng)力集中，位錯(cuò)會(huì)通過(guò)交滑移等方式繞過(guò)障礙物繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)分解也是常見(jiàn)的現(xiàn)象，在低層錯(cuò)能的B2金屬間化合物中，全位錯(cuò)會(huì)分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)和中間的層錯(cuò)區(qū)域，這種位錯(cuò)分解組態(tài)使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，需要克服額外的層錯(cuò)能，從而影響材料的塑性變形能力。位錯(cuò)分解后的不全位錯(cuò)之間通過(guò)層錯(cuò)相互連接，層錯(cuò)的存在增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得位錯(cuò)的滑移變得更加困難，但同時(shí)也增加了材料的加工硬化能力，提高了材料的強(qiáng)度。交滑移機(jī)制在B2金屬間化合物的塑性變形中也起著關(guān)鍵作用。交滑移是指位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個(gè)滑移面上繼續(xù)滑移的過(guò)程。在B2金屬間化合物中，交滑移的發(fā)生與晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)以及溫度等因素密切相關(guān)。當(dāng)晶體受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在初始滑移面上運(yùn)動(dòng)，若遇到障礙物無(wú)法繼續(xù)滑移時(shí)，在一定條件下，位錯(cuò)可以通過(guò)交滑移轉(zhuǎn)移到另一個(gè)滑移面上，從而繞過(guò)障礙物繼續(xù)變形。高溫有利于交滑移的發(fā)生，因?yàn)楦邷叵略拥臒峒せ钅茉黾?，位錯(cuò)的可動(dòng)性增強(qiáng)，更容易克服交滑移所需的能量障礙。而位錯(cuò)的組態(tài)也會(huì)影響交滑移的難易程度，例如，位錯(cuò)的密度、位錯(cuò)之間的相互作用以及位錯(cuò)的分解狀態(tài)等都會(huì)對(duì)交滑移產(chǎn)生影響。高密度的位錯(cuò)會(huì)增加位錯(cuò)之間的相互作用，使得交滑移更加困難；而位錯(cuò)的分解形成的層錯(cuò)區(qū)域則可能阻礙交滑移的進(jìn)行，需要更高的能量才能實(shí)現(xiàn)交滑移。1.2.2FCC中高熵合金塑性變形機(jī)制中高熵合金是由三種或三種以上金屬元素按照等原子比或近等原子比混合而成的固溶體，這種獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)使其具有與傳統(tǒng)合金不同的特性。從自由能與相穩(wěn)定性角度來(lái)看，中高熵合金中多元素的混合產(chǎn)生了巨大的混合熵作用，使得材料趨于形成單相簡(jiǎn)單固溶體（亞穩(wěn)狀態(tài)），以降低整體的自由能。各元素在晶體中隨機(jī)均勻地占據(jù)晶體位點(diǎn)，形成了無(wú)序的晶體結(jié)構(gòu)。然而，隨著溫度降低，吉布斯自由能中的焓項(xiàng)變得更加重要，導(dǎo)致局部有序（如短程有序）在中/高熵合金中產(chǎn)生，以進(jìn)一步最小化自由能。這種短程有序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會(huì)對(duì)合金的性能產(chǎn)生重要影響，例如可以調(diào)節(jié)堆垛層錯(cuò)能、影響磁化、促進(jìn)加工硬化、提高抗疲勞和抗輻照損傷的能力，以及影響耐腐蝕性。中高熵合金的變形機(jī)制與力學(xué)性能密切相關(guān)。其主要變形機(jī)制包括位錯(cuò)滑移、孿生變形以及與短程有序相關(guān)的變形機(jī)制。位錯(cuò)滑移是中高熵合金塑性變形的重要方式之一，由于中高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列的復(fù)雜性，位錯(cuò)在其中的運(yùn)動(dòng)受到多種因素的阻礙。晶格畸變效應(yīng)是中高熵合金中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的重要因素之一，由于各元素間的尺寸差異，導(dǎo)致晶體晶格對(duì)稱性與形狀產(chǎn)生改變，整體的畸變程度與應(yīng)變能增加。這種晶格畸變會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使得位錯(cuò)滑移需要更高的應(yīng)力，從而提高了材料的強(qiáng)度。短程有序結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，當(dāng)位錯(cuò)遇到短程有序區(qū)域時(shí)，需要克服額外的能量障礙才能繼續(xù)滑移，這也導(dǎo)致材料的強(qiáng)度增加。在低溫、高應(yīng)變速率或滑移系較少的情況下，孿生變形可能成為中高熵合金的主要變形方式。孿生變形是指晶體的一部分沿某一晶面（孿生面）發(fā)生對(duì)稱的鏡面反射，形成與原始晶體對(duì)稱的新晶體的過(guò)程。孿生變形能夠改變材料的晶體取向，從而影響材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。在中高熵合金中，孿生變形的發(fā)生與層錯(cuò)能密切相關(guān)，較低的層錯(cuò)能有利于孿生的發(fā)生。中高熵合金中的短程有序結(jié)構(gòu)和晶格畸變等因素也會(huì)影響孿生變形的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。在理論研究方面，目前對(duì)于中高熵合金的塑性變形機(jī)制已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但仍存在許多問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。一些理論研究認(rèn)為短程有序可能顯著增強(qiáng)屈服強(qiáng)度，然而現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)此問(wèn)題的觀點(diǎn)存在分歧，一些研究認(rèn)為短程有序?qū)CC中高熵合金的屈服強(qiáng)度幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。對(duì)于中高熵合金中各種變形機(jī)制之間的相互作用和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，以及如何通過(guò)成分設(shè)計(jì)和工藝調(diào)控來(lái)優(yōu)化合金的性能，還需要進(jìn)一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分子動(dòng)力學(xué)模擬和第一性原理計(jì)算等理論研究方法在揭示中高熵合金塑性變形機(jī)制方面發(fā)揮了重要作用，但由于中高熵合金的復(fù)雜性，這些理論模型還需要不斷完善和改進(jìn)，以更準(zhǔn)確地描述合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能。1.3廣義層錯(cuò)能研究現(xiàn)狀1.3.1廣義層錯(cuò)能概念廣義層錯(cuò)能是材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的物理量，它在描述材料的塑性變形機(jī)制方面起著關(guān)鍵作用。從本質(zhì)上講，廣義層錯(cuò)能是一種用于量化平面層錯(cuò)難易程度的方法，與傳統(tǒng)層錯(cuò)能既有聯(lián)系又有區(qū)別。傳統(tǒng)層錯(cuò)能是指層錯(cuò)區(qū)域內(nèi)的化學(xué)自由能和應(yīng)變能、界面能之差值，從晶體結(jié)構(gòu)學(xué)角度被視為一種類似于孿晶的晶體結(jié)構(gòu)變化，在層錯(cuò)中原子的堆垛錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致能量增加，這一增量就是層錯(cuò)能，通常被認(rèn)為是兩倍的退火孿晶界能，不過(guò)也有觀點(diǎn)認(rèn)為層錯(cuò)能應(yīng)包括體積能量和表面能量，當(dāng)應(yīng)變能和化學(xué)自由能之和能夠抵消表面能時(shí)，層錯(cuò)核心就會(huì)自發(fā)擴(kuò)展。而廣義層錯(cuò)能則是在傳統(tǒng)層錯(cuò)能概念的基礎(chǔ)上，更全面地考慮了晶體中原子在不同平面上的相對(duì)位移所導(dǎo)致的能量變化。它不僅涉及到原子堆垛順序的改變，還考慮了原子間相互作用的變化，以及由此引起的晶體結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的改變。在面心立方晶體中，廣義層錯(cuò)能可以通過(guò)計(jì)算原子在不同滑移面上的位移過(guò)程中系統(tǒng)能量的變化來(lái)確定。當(dāng)原子沿著某一滑移面發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，會(huì)形成不同的原子排列狀態(tài)，每一種狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的能量值，廣義層錯(cuò)能就是這些能量值的變化曲線。廣義層錯(cuò)能的物理意義在于它能夠反映材料在塑性變形過(guò)程中，位錯(cuò)滑移和孿生等變形機(jī)制發(fā)生的難易程度。較低的廣義層錯(cuò)能意味著原子在平面上的相對(duì)位移更容易發(fā)生，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)展更加容易，材料的塑性變形能力較強(qiáng)；而較高的廣義層錯(cuò)能則表示原子的相對(duì)位移需要克服更高的能量障礙，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，材料的塑性變形相對(duì)較難。這一物理量為研究材料的塑性變形行為提供了一個(gè)重要的量化指標(biāo)，有助于深入理解材料在不同加載條件下的力學(xué)響應(yīng)。1.3.2廣義層錯(cuò)能應(yīng)用與孿生判據(jù)廣義層錯(cuò)能在判斷位錯(cuò)分解、滑移及孿生等塑性變形行為方面有著廣泛的應(yīng)用。在立方金屬中，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用是塑性變形的重要機(jī)制，而廣義層錯(cuò)能對(duì)這些過(guò)程有著顯著的影響。當(dāng)金屬的廣義層錯(cuò)能較低時(shí)，完整位錯(cuò)會(huì)分解成多個(gè)部分位錯(cuò)，這些部分位錯(cuò)之間通過(guò)層錯(cuò)區(qū)域相互連接。這種位錯(cuò)分解現(xiàn)象使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)變得更加復(fù)雜，需要克服額外的層錯(cuò)能，從而影響材料的塑性變形能力。在一些低層錯(cuò)能的金屬中，位錯(cuò)的分解和擴(kuò)展使得位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，材料的塑性變形難度增加，容易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象；而在高層錯(cuò)能的金屬中，位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)，材料的塑性較好，變形過(guò)程中加工硬化程度相對(duì)較低。廣義層錯(cuò)能還與孿生變形密切相關(guān)，它是判斷孿生是否發(fā)生的重要依據(jù)之一。在低溫、高應(yīng)變速率或滑移系較少的情況下，當(dāng)滑移難以發(fā)生時(shí)，孿生可能成為主要的變形方式。孿生變形是指晶體的一部分沿某一晶面（孿生面）發(fā)生對(duì)稱的鏡面反射，形成與原始晶體對(duì)稱的新晶體的過(guò)程。而廣義層錯(cuò)能的大小決定了孿生變形的難易程度，較低的廣義層錯(cuò)能有利于孿生的發(fā)生。這是因?yàn)閷\生過(guò)程中需要形成新的晶體學(xué)取向，而層錯(cuò)能較低時(shí)，原子的重新排列所需的能量相對(duì)較低，更容易實(shí)現(xiàn)孿生變形。在實(shí)際應(yīng)用中，研究人員通常會(huì)根據(jù)廣義層錯(cuò)能的大小來(lái)建立孿生判據(jù)，以預(yù)測(cè)材料在不同條件下是否會(huì)發(fā)生孿生變形。常見(jiàn)的孿生判據(jù)包括臨界分切應(yīng)力判據(jù)和能量判據(jù)等。臨界分切應(yīng)力判據(jù)認(rèn)為，當(dāng)作用在孿生面上的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí)，孿生就會(huì)發(fā)生，而這個(gè)臨界分切應(yīng)力與廣義層錯(cuò)能密切相關(guān)；能量判據(jù)則是基于廣義層錯(cuò)能的變化，當(dāng)孿生過(guò)程中系統(tǒng)能量的降低大于一定閾值時(shí)，孿生被認(rèn)為是有利的變形方式。這些判據(jù)為材料的設(shè)計(jì)和加工提供了重要的理論指導(dǎo)，通過(guò)調(diào)整材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)，改變廣義層錯(cuò)能的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料塑性變形行為的調(diào)控。1.3.3廣義層錯(cuò)能影響因素廣義層錯(cuò)能受到多種因素的影響，這些因素包括成分、溫度、壓強(qiáng)等，它們對(duì)廣義層錯(cuò)能的影響規(guī)律各不相同。成分是影響廣義層錯(cuò)能的重要因素之一。合金元素的添加會(huì)改變晶體中原子的排列方式和原子間的相互作用，從而影響廣義層錯(cuò)能的大小。在鎂合金中添加不同的合金元素，如鋁、鋅、鈣等，會(huì)對(duì)鎂合金的廣義層錯(cuò)能產(chǎn)生顯著影響。一些合金元素的加入可以降低廣義層錯(cuò)能，使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和孿生變形更容易發(fā)生，從而提高材料的塑性；而另一些合金元素則可能會(huì)增加廣義層錯(cuò)能，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和孿生變形，提高材料的強(qiáng)度。這是因?yàn)楹辖鹪氐脑影霃?、電?fù)性等因素與基體原子不同，會(huì)導(dǎo)致晶體晶格的畸變，進(jìn)而改變?cè)娱g的相互作用和廣義層錯(cuò)能。溫度對(duì)廣義層錯(cuò)能也有著重要的影響。隨著溫度的升高，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的結(jié)合力減弱，這會(huì)導(dǎo)致廣義層錯(cuò)能發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高會(huì)使廣義層錯(cuò)能降低，這是因?yàn)楦邷叵略拥倪\(yùn)動(dòng)更加自由，更容易克服層錯(cuò)形成所需的能量障礙，使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和孿生變形更加容易發(fā)生。在高溫變形過(guò)程中，一些原本在低溫下難以發(fā)生的位錯(cuò)滑移和孿生變形機(jī)制可能會(huì)被激活，材料的塑性變形能力增強(qiáng)。然而，溫度對(duì)廣義層錯(cuò)能的影響并非是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，在某些情況下，溫度的變化可能會(huì)導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如析出相的溶解或析出，從而對(duì)廣義層錯(cuò)能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。壓強(qiáng)也是影響廣義層錯(cuò)能的一個(gè)因素。在高壓條件下，原子間的距離被壓縮，原子間的相互作用增強(qiáng)，這會(huì)導(dǎo)致廣義層錯(cuò)能發(fā)生改變。研究表明，隨著壓強(qiáng)的增加，廣義層錯(cuò)能通常會(huì)增大，這是因?yàn)楦邏菏沟迷娱g的結(jié)合力增強(qiáng)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和孿生變形需要克服更高的能量障礙，從而使得塑性變形變得更加困難。在一些極端高壓環(huán)境下，材料的塑性變形機(jī)制可能會(huì)發(fā)生根本性的改變，出現(xiàn)一些在常壓下難以觀察到的變形行為。壓強(qiáng)對(duì)廣義層錯(cuò)能的影響還與材料的晶體結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)，不同的材料在相同的壓強(qiáng)條件下，廣義層錯(cuò)能的變化可能會(huì)有所不同。1.4研究目的、內(nèi)容與方法1.4.1研究目的本研究旨在通過(guò)原子計(jì)算模擬的方法，深入探究廣義層錯(cuò)能與立方金屬塑性變形機(jī)制之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示立方金屬在塑性變形過(guò)程中原子尺度的微觀機(jī)制，為立方金屬材料的性能優(yōu)化和工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)指導(dǎo)。具體而言，研究將聚焦于明確廣義層錯(cuò)能對(duì)立方金屬中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿生變形等關(guān)鍵塑性變形行為的影響規(guī)律，建立基于廣義層錯(cuò)能的立方金屬塑性變形理論模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)立方金屬塑性變形過(guò)程的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和有效調(diào)控。1.4.2研究?jī)?nèi)容本研究主要內(nèi)容包括立方金屬?gòu)V義層錯(cuò)能的計(jì)算與分析、塑性變形過(guò)程的原子模擬以及廣義層錯(cuò)能與塑性變形機(jī)制關(guān)系的研究三個(gè)方面。在立方金屬?gòu)V義層錯(cuò)能的計(jì)算與分析方面，將運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，針對(duì)不同成分和晶體結(jié)構(gòu)的立方金屬，精確計(jì)算其廣義層錯(cuò)能。深入分析合金元素添加、晶體結(jié)構(gòu)變化以及溫度、壓強(qiáng)等外部條件對(duì)廣義層錯(cuò)能的影響規(guī)律。通過(guò)計(jì)算二元合金中不同合金元素含量下的廣義層錯(cuò)能，探究合金元素與廣義層錯(cuò)能之間的定量關(guān)系；研究溫度變化對(duì)立方金屬?gòu)V義層錯(cuò)能的影響，建立廣義層錯(cuò)能隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于塑性變形過(guò)程的原子模擬，將采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，模擬立方金屬在不同加載條件下的塑性變形過(guò)程。詳細(xì)觀察位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、交互和湮滅等動(dòng)態(tài)行為，以及孿生變形的形核、長(zhǎng)大和相互作用過(guò)程。分析塑性變形過(guò)程中原子的運(yùn)動(dòng)軌跡、原子間相互作用力的變化，以及微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。模擬面心立方金屬在拉伸載荷下的塑性變形，觀察位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)以及位錯(cuò)與晶界的交互作用，揭示晶界對(duì)塑性變形的阻礙或促進(jìn)機(jī)制。在廣義層錯(cuò)能與塑性變形機(jī)制關(guān)系的研究方面，基于計(jì)算和模擬結(jié)果，深入探討廣義層錯(cuò)能對(duì)立方金屬塑性變形機(jī)制的影響。明確廣義層錯(cuò)能與位錯(cuò)滑移、孿生變形之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立基于廣義層錯(cuò)能的塑性變形判據(jù)。研究不同廣義層錯(cuò)能下立方金屬的塑性變形模式轉(zhuǎn)變規(guī)律，為立方金屬材料的成分設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)比不同廣義層錯(cuò)能的立方金屬在相同加載條件下的塑性變形行為，確定廣義層錯(cuò)能影響塑性變形的關(guān)鍵因素和閾值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)立方金屬塑性變形行為的有效控制。1.4.3研究方法本研究主要采用第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬兩種原子計(jì)算模擬方法，結(jié)合理論分析和文獻(xiàn)調(diào)研，全面深入地開展研究。第一性原理計(jì)算基于量子力學(xué)原理，從電子層面出發(fā)，無(wú)需任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，能夠精確計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)、能量等性質(zhì)，從而得到廣義層錯(cuò)能等關(guān)鍵物理量。在計(jì)算過(guò)程中，將選用合適的交換關(guān)聯(lián)泛函，如廣義梯度近似（GGA）或局域密度近似（LDA），構(gòu)建合理的晶體結(jié)構(gòu)模型，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。利用VASP軟件對(duì)B2金屬間化合物的廣義層錯(cuò)能進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化原子結(jié)構(gòu)和計(jì)算參數(shù)，得到精確的廣義層錯(cuò)能數(shù)據(jù)。分子動(dòng)力學(xué)模擬則是通過(guò)求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程，模擬原子在給定勢(shì)函數(shù)下的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而研究材料在宏觀尺度上的力學(xué)行為和微觀結(jié)構(gòu)演變。在模擬過(guò)程中，將選擇合適的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)，如嵌入原子法（EAM）勢(shì)或多體勢(shì)函數(shù)，設(shè)定模擬盒子的尺寸、邊界條件和初始條件，模擬材料在不同加載速率、溫度等條件下的塑性變形過(guò)程。運(yùn)用LAMMPS軟件對(duì)FCC中高熵合金進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，通過(guò)觀察位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和孿生變形的發(fā)生，分析合金的塑性變形機(jī)制。理論分析將結(jié)合計(jì)算和模擬結(jié)果，運(yùn)用位錯(cuò)理論、晶體學(xué)理論等，深入探討廣義層錯(cuò)能與塑性變形機(jī)制之間的關(guān)系，建立相關(guān)的理論模型和判據(jù)。文獻(xiàn)調(diào)研將廣泛收集和整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，了解立方金屬塑性變形機(jī)制和廣義層錯(cuò)能的研究現(xiàn)狀，為研究提供理論支持和參考依據(jù)。二、原子計(jì)算模擬方法及基本原理2.1分子靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬2.1.1基本流程分子靜動(dòng)力學(xué)模擬在研究立方金屬塑性變形機(jī)制中扮演著關(guān)鍵角色，其基本流程涵蓋多個(gè)重要環(huán)節(jié)。首先是模型構(gòu)建，需依據(jù)研究對(duì)象確定模擬體系的原子種類、數(shù)量及初始位置。在研究面心立方結(jié)構(gòu)的銅金屬時(shí)，要構(gòu)建包含大量銅原子且符合面心立方晶格排列的模擬盒子?？衫孟嚓P(guān)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取銅原子的晶格參數(shù)，以此精確確定原子在模擬盒子中的初始坐標(biāo)，確保模擬體系的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性。同時(shí)，需考慮體系的尺寸大小，要足夠大以避免邊界效應(yīng)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，但也不能過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算資源的過(guò)度消耗。通常會(huì)通過(guò)預(yù)模擬來(lái)確定合適的體系尺寸，使體系在計(jì)算資源可承受范圍內(nèi)能準(zhǔn)確反映材料的宏觀性質(zhì)。參數(shù)設(shè)置也是重要步驟，這包括選擇合適的原子交互作用勢(shì)和模擬參數(shù)。原子交互作用勢(shì)描述原子間的相互作用力，對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。常見(jiàn)的原子交互作用勢(shì)有Lennard-Jones勢(shì)、Morse勢(shì)、EAM勢(shì)等。不同的勢(shì)函數(shù)適用于不同類型的材料體系，在模擬立方金屬時(shí)，需根據(jù)金屬的特性和研究目的選擇合適的勢(shì)函數(shù)。對(duì)于簡(jiǎn)單金屬，Lennard-Jones勢(shì)可能就足夠描述原子間的相互作用；而對(duì)于過(guò)渡族金屬，由于其電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可能需要采用EAM勢(shì)等更復(fù)雜的多體勢(shì)函數(shù)。除了勢(shì)函數(shù)，還需設(shè)置模擬的時(shí)間步長(zhǎng)、溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)。時(shí)間步長(zhǎng)的選擇要兼顧計(jì)算效率和模擬精度，通常在飛秒量級(jí)，過(guò)小的時(shí)間步長(zhǎng)會(huì)增加計(jì)算量，過(guò)大則可能導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。溫度和壓強(qiáng)的設(shè)置要根據(jù)實(shí)際研究條件，如研究立方金屬在室溫下的塑性變形行為，就需將模擬溫度設(shè)置為接近室溫的數(shù)值，并根據(jù)需要選擇合適的壓強(qiáng)條件，可設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓或特定的高壓條件，以研究壓強(qiáng)對(duì)塑性變形的影響。模擬運(yùn)行階段，分子靜力學(xué)模擬通過(guò)能量最小化原理優(yōu)化原子結(jié)構(gòu)，分子動(dòng)力學(xué)模擬則依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律模擬原子運(yùn)動(dòng)。在分子靜力學(xué)模擬中，利用共軛梯度法、最速下降法等優(yōu)化算法，不斷調(diào)整原子的位置，使體系的總能量達(dá)到最小，從而得到穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，根據(jù)所選的原子交互作用勢(shì)計(jì)算每個(gè)原子所受的力，再根據(jù)牛頓第二定律更新原子的位置和速度。在模擬過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系的能量、溫度、壓強(qiáng)等物理量，確保模擬過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。若發(fā)現(xiàn)某些物理量出現(xiàn)異常波動(dòng)，需及時(shí)檢查模擬參數(shù)和勢(shì)函數(shù)的選擇是否合理，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。模擬結(jié)束后，要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。可通過(guò)可視化軟件，如VMD、OVITO等，觀察原子的運(yùn)動(dòng)軌跡、位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)、孿生變形的發(fā)生等微觀現(xiàn)象，直觀了解立方金屬塑性變形的過(guò)程。還需對(duì)模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，計(jì)算位錯(cuò)密度、孿生體積分?jǐn)?shù)、應(yīng)力應(yīng)變曲線等物理量，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果或理論模型進(jìn)行對(duì)比，深入研究廣義層錯(cuò)能與塑性變形機(jī)制之間的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算不同廣義層錯(cuò)能下立方金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析廣義層錯(cuò)能對(duì)材料屈服強(qiáng)度、加工硬化行為等的影響規(guī)律，為材料的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。2.1.2原理分子靜力學(xué)基于能量最小化原理，旨在尋找體系能量最低的原子結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在立方金屬體系中，原子間存在復(fù)雜的相互作用，這些相互作用決定了體系的能量狀態(tài)。體系的總能量包括原子間的相互作用能、晶格畸變能等。通過(guò)能量最小化算法，如共軛梯度法、最速下降法等，不斷調(diào)整原子的位置，使體系的總能量逐漸降低，直至達(dá)到最小值。在這個(gè)過(guò)程中，原子會(huì)從高能態(tài)向低能態(tài)移動(dòng)，最終形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)立方金屬受到外力作用時(shí)，原子間的相互作用會(huì)發(fā)生改變，體系能量升高。分子靜力學(xué)通過(guò)優(yōu)化原子結(jié)構(gòu)，試圖降低體系能量，以適應(yīng)外力作用下的新平衡狀態(tài)。這一過(guò)程有助于理解立方金屬在塑性變形前的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及外力作用下結(jié)構(gòu)的初步調(diào)整。分子動(dòng)力學(xué)則依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律來(lái)模擬原子的運(yùn)動(dòng)。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，每個(gè)原子都被視為在其他原子和電子所提供的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)所選的原子交互作用勢(shì)，計(jì)算每個(gè)原子所受的力，然后根據(jù)牛頓第二定律F=ma（其中F為原子所受的力，m為原子質(zhì)量，a為原子加速度），計(jì)算原子的加速度，進(jìn)而更新原子的速度和位置。通過(guò)不斷迭代計(jì)算，可得到原子在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而模擬出材料在宏觀尺度上的力學(xué)行為和微觀結(jié)構(gòu)演變。在模擬立方金屬的塑性變形過(guò)程中，隨著外力的施加，原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，位錯(cuò)開始產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互，孿生變形也可能發(fā)生。分子動(dòng)力學(xué)能夠詳細(xì)地描述這些動(dòng)態(tài)過(guò)程，為研究塑性變形機(jī)制提供了有力的工具。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以觀察到在拉伸載荷作用下，立方金屬中原子的位移、位錯(cuò)的滑移和攀移，以及孿生晶核的形成和長(zhǎng)大等過(guò)程，深入了解塑性變形的微觀機(jī)制。2.1.3原子交互作用勢(shì)原子交互作用勢(shì)是描述原子間相互作用的數(shù)學(xué)模型，對(duì)分子靜動(dòng)力學(xué)模擬的準(zhǔn)確性起著決定性作用。在立方金屬模擬中，常用的原子交互作用勢(shì)包括對(duì)勢(shì)和多體勢(shì)。對(duì)勢(shì)認(rèn)為原子間的相互作用僅取決于兩個(gè)原子之間的距離，與其他原子的位置無(wú)關(guān)，是一種簡(jiǎn)化的勢(shì)能模型。常見(jiàn)的對(duì)勢(shì)有Lennard-Jones勢(shì)（L-J勢(shì)）和Morse勢(shì)等。Lennard-Jones勢(shì)，也稱6-12勢(shì)，由JohnEdwardLennard-Jones于1924年提出，用于描述兩個(gè)中性原子（分子）之間的相互作用模型，公式中包含排斥項(xiàng)（12次方項(xiàng)）和吸引項(xiàng)（6次方項(xiàng)），以及勢(shì)井深度\varepsilon和作用勢(shì)為0時(shí)的原子間距離\sigma兩個(gè)參數(shù)，適用于中性原子，尤其是惰性氣體原子的描述；Morse勢(shì)是在用量子力學(xué)解決雙原子分子振動(dòng)譜時(shí)給出的分析式，與Lennard-Jones勢(shì)一樣，也是一種半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)，不需要附加其他參數(shù)或近似就可以給出一個(gè)穩(wěn)定的模型，適用于描述一些簡(jiǎn)單金屬和離子實(shí)重疊較小的系統(tǒng)。對(duì)勢(shì)在描述簡(jiǎn)單立方金屬體系，如某些稀氣體或簡(jiǎn)單金屬時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性，因?yàn)檫@些體系中原子間的相互作用相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由兩體相互作用主導(dǎo)。在模擬一些簡(jiǎn)單的立方金屬晶體時(shí)，對(duì)勢(shì)能夠較好地描述原子間的短程排斥力和長(zhǎng)程吸引力，從而預(yù)測(cè)晶體的一些基本性質(zhì)，如晶格常數(shù)、結(jié)合能等。然而，對(duì)于復(fù)雜的立方金屬體系，如過(guò)渡族金屬，由于其電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，原子間存在多體相互作用，對(duì)勢(shì)往往無(wú)法準(zhǔn)確描述原子間的相互作用，此時(shí)需要采用多體勢(shì)。多體勢(shì)考慮了一個(gè)原子與周圍多個(gè)原子的相互作用，能更準(zhǔn)確地描述原子間的復(fù)雜相互作用。嵌入原子法（EAM）勢(shì)是一種常用的多體勢(shì)，它將系統(tǒng)的總勢(shì)能表示為原子的嵌入能和原子間的對(duì)勢(shì)之和，考慮了電子云的重疊和原子的環(huán)境效應(yīng)，能夠較好地描述過(guò)渡族金屬中原子間的相互作用。在模擬過(guò)渡族金屬的立方結(jié)構(gòu)時(shí)，EAM勢(shì)可以準(zhǔn)確地描述金屬鍵的特性，包括金屬的強(qiáng)度、延展性等，從而為研究過(guò)渡族金屬的塑性變形機(jī)制提供更可靠的基礎(chǔ)。多體勢(shì)還包括修正嵌入原子法（MEAM）勢(shì)、緊束縛勢(shì)等，它們?cè)诓煌牧⒎浇饘袤w系中各有其優(yōu)勢(shì)和適用范圍，研究人員需要根據(jù)具體的研究對(duì)象和目的選擇合適的多體勢(shì)函數(shù)。2.1.4位錯(cuò)構(gòu)建與邊界條件位錯(cuò)是晶體中一種重要的線缺陷，對(duì)立方金屬的塑性變形起著關(guān)鍵作用。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，需要構(gòu)建位錯(cuò)來(lái)研究其運(yùn)動(dòng)和交互行為。常見(jiàn)的位錯(cuò)構(gòu)建方法有多種，其中一種常用的方法是通過(guò)在完整晶體中引入局部原子位移來(lái)生成位錯(cuò)。以刃型位錯(cuò)為例，可以在晶體的某一滑移面上，將一部分原子相對(duì)于另一部分原子沿垂直于滑移方向進(jìn)行一定距離的位移，從而形成刃型位錯(cuò)。在構(gòu)建位錯(cuò)時(shí)，要精確控制原子的位移量和范圍，以確保生成的位錯(cuò)具有準(zhǔn)確的柏氏矢量和位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)。還需考慮位錯(cuò)的初始位置和取向，不同的初始條件會(huì)影響位錯(cuò)在后續(xù)模擬過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和交互行為。通過(guò)改變位錯(cuò)的初始位置，可以研究位錯(cuò)與晶界、其他位錯(cuò)等缺陷之間的相互作用；調(diào)整位錯(cuò)的取向，則可以探究不同取向的位錯(cuò)在塑性變形過(guò)程中的行為差異。邊界條件的設(shè)置對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果也有著重要影響。在模擬過(guò)程中，為了避免邊界效應(yīng)的干擾，通常采用周期邊界條件。周期邊界條件是指將模擬體系在空間上進(jìn)行周期性復(fù)制，使得體系在各個(gè)方向上都沒(méi)有邊界。當(dāng)原子從模擬盒子的一側(cè)離開時(shí)，會(huì)從另一側(cè)重新進(jìn)入，就像在一個(gè)無(wú)限大的晶體中運(yùn)動(dòng)一樣。在模擬一個(gè)長(zhǎng)方體形狀的立方金屬體系時(shí)，將其在x、y、z三個(gè)方向上都設(shè)置為周期邊界條件，這樣原子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)受到盒子邊界的限制，從而能夠更真實(shí)地模擬材料內(nèi)部的物理過(guò)程。周期邊界條件的設(shè)置還可以減少計(jì)算量，因?yàn)橹恍枰M一個(gè)較小的單元，然后通過(guò)周期性復(fù)制來(lái)擴(kuò)展到整個(gè)體系。在設(shè)置周期邊界條件時(shí)，要確保模擬盒子的尺寸足夠大，以減小邊界對(duì)體系內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的影響。如果盒子尺寸過(guò)小，周期邊界條件可能會(huì)導(dǎo)致原子間的相互作用出現(xiàn)異常，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。還可以結(jié)合其他邊界條件，如固定邊界條件、自由邊界條件等，來(lái)研究不同邊界條件下立方金屬的塑性變形行為。在研究材料表面的塑性變形時(shí)，可以采用自由邊界條件，使表面原子能夠自由運(yùn)動(dòng)，從而更準(zhǔn)確地模擬表面的原子行為和變形機(jī)制。2.2數(shù)據(jù)分析及缺陷處原子可視化2.2.1應(yīng)力計(jì)算在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，體系應(yīng)力的計(jì)算是分析塑性變形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)力作為描述材料內(nèi)部受力狀態(tài)的物理量，能夠直觀反映材料在塑性變形過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算體系應(yīng)力，通常采用維里定理（VirialTheorem）。該定理建立了體系總能量與原子間相互作用力之間的關(guān)系，為應(yīng)力計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。對(duì)于由N個(gè)原子組成的模擬體系，體系的總能量E由原子的動(dòng)能K和勢(shì)能U組成，即E=K+U。根據(jù)維里定理，體系的應(yīng)力張量\sigma_{ij}可以通過(guò)以下公式計(jì)算：\sigma_{ij}=\frac{1}{V}\left(\sum_{k=1}^{N}m_kv_{ki}v_{kj}+\frac{1}{2}\sum_{l\neqk}^{N}r_{kli}F_{klj}\right)其中，V是模擬盒子的體積，m_k是原子k的質(zhì)量，v_{ki}和v_{kj}分別是原子k在i和j方向上的速度分量，r_{kli}是原子k和l之間的相對(duì)位置矢量在i方向上的分量，F(xiàn)_{klj}是原子k和l之間的相互作用力在j方向上的分量。在立方金屬的塑性變形模擬中，通過(guò)上述公式計(jì)算得到的應(yīng)力張量，能夠進(jìn)一步分析得到體系的平均應(yīng)力、主應(yīng)力等參數(shù)。平均應(yīng)力反映了體系整體的受力水平，主應(yīng)力則確定了材料在不同方向上的受力大小和方向。在拉伸模擬中，通過(guò)計(jì)算應(yīng)力張量，可以得到拉伸方向上的主應(yīng)力，該主應(yīng)力與拉伸載荷密切相關(guān)，能夠直觀反映材料在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力變化情況。隨著拉伸的進(jìn)行，主應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，材料開始發(fā)生塑性變形，位錯(cuò)等缺陷開始產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)，此時(shí)應(yīng)力的變化也會(huì)呈現(xiàn)出不同的特征。通過(guò)分析應(yīng)力隨時(shí)間或應(yīng)變的變化曲線，可以深入了解立方金屬在塑性變形過(guò)程中的力學(xué)行為，包括屈服強(qiáng)度、加工硬化等現(xiàn)象。屈服強(qiáng)度是材料開始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力值，通過(guò)應(yīng)力計(jì)算可以準(zhǔn)確確定立方金屬的屈服強(qiáng)度，研究不同因素對(duì)屈服強(qiáng)度的影響；加工硬化則表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而不斷增大的現(xiàn)象，通過(guò)分析應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率變化，可以定量研究加工硬化的程度和規(guī)律。2.2.2近鄰原子分析近鄰原子分析是研究立方金屬塑性變形微觀機(jī)制的重要方法，通過(guò)分析原子近鄰關(guān)系，能夠準(zhǔn)確判斷原子的配位環(huán)境和結(jié)構(gòu)變化，從而深入了解塑性變形過(guò)程中原子尺度的微觀機(jī)制。在立方金屬中，原子的配位環(huán)境對(duì)其物理性質(zhì)和力學(xué)行為有著顯著影響，而塑性變形會(huì)導(dǎo)致原子配位環(huán)境的改變。常見(jiàn)的近鄰原子分析方法包括計(jì)算配位數(shù)和分析原子的近鄰結(jié)構(gòu)。配位數(shù)是指一個(gè)原子周圍與之直接相鄰的原子數(shù)目，它能夠直觀反映原子的配位環(huán)境。在面心立方結(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子的配位數(shù)為12，而在體心立方結(jié)構(gòu)中，配位數(shù)為8。通過(guò)計(jì)算配位數(shù)的變化，可以判斷原子在塑性變形過(guò)程中是否發(fā)生了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在孿生變形過(guò)程中，孿生區(qū)域內(nèi)的原子配位數(shù)會(huì)發(fā)生改變，與基體中的原子配位數(shù)不同，通過(guò)精確計(jì)算配位數(shù)的變化，可以準(zhǔn)確確定孿生區(qū)域的位置和范圍。分析原子的近鄰結(jié)構(gòu)也是近鄰原子分析的重要內(nèi)容。可以通過(guò)構(gòu)建原子的近鄰殼層模型，詳細(xì)研究不同殼層內(nèi)原子的分布和排列情況。在立方金屬中，原子的近鄰結(jié)構(gòu)通常具有一定的規(guī)律性，但在塑性變形過(guò)程中，這種規(guī)律性可能會(huì)被打破。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用會(huì)導(dǎo)致原子的近鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生局部畸變，通過(guò)分析近鄰結(jié)構(gòu)的畸變程度和分布情況，可以深入了解位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)軌跡和相互作用機(jī)制。還可以通過(guò)計(jì)算原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角，進(jìn)一步分析原子近鄰結(jié)構(gòu)的變化。鍵長(zhǎng)和鍵角的改變反映了原子間相互作用力的變化，而這種變化與塑性變形過(guò)程中的能量變化密切相關(guān)。通過(guò)分析鍵長(zhǎng)和鍵角的變化規(guī)律，可以揭示塑性變形過(guò)程中原子間相互作用的本質(zhì)，為理解塑性變形機(jī)制提供有力的微觀證據(jù)。2.2.3原子能量篩選法原子能量篩選法是研究立方金屬塑性變形過(guò)程中缺陷形成和演化的有效手段。在塑性變形過(guò)程中，位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷的形成和運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致材料力學(xué)性能變化的關(guān)鍵因素。通過(guò)篩選高能量原子，可以準(zhǔn)確識(shí)別材料中的缺陷，深入研究缺陷的形成機(jī)制和演化規(guī)律。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，每個(gè)原子都具有一定的能量，包括動(dòng)能和勢(shì)能。缺陷處的原子由于其周圍原子環(huán)境的改變，往往具有較高的能量。原子能量篩選法正是基于這一原理，通過(guò)設(shè)定能量閾值，將能量高于閾值的原子篩選出來(lái)，這些原子很可能位于缺陷位置。在立方金屬中，位錯(cuò)核心區(qū)域的原子由于晶格畸變，其勢(shì)能明顯高于周圍正常原子，通過(guò)篩選高能量原子，可以準(zhǔn)確確定位錯(cuò)的位置和形態(tài)。通過(guò)跟蹤高能量原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以詳細(xì)研究位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用。當(dāng)位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，高能量原子會(huì)隨著位錯(cuò)一起移動(dòng)，通過(guò)分析這些原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以清晰地觀察到位錯(cuò)的滑移、攀移等運(yùn)動(dòng)方式，以及位錯(cuò)與其他缺陷（如晶界、第二相粒子等）的交互作用過(guò)程。在位錯(cuò)與晶界的交互作用中，高能量原子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生明顯變化，通過(guò)分析這種變化，可以深入了解晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙或促進(jìn)機(jī)制。對(duì)于層錯(cuò)缺陷，原子能量篩選法同樣適用。層錯(cuò)區(qū)域內(nèi)的原子堆垛順序發(fā)生改變，導(dǎo)致原子能量升高。通過(guò)篩選高能量原子，可以準(zhǔn)確識(shí)別層錯(cuò)的位置和范圍，研究層錯(cuò)的形成和擴(kuò)展機(jī)制。在一些低層錯(cuò)能的立方金屬中，層錯(cuò)的擴(kuò)展對(duì)材料的塑性變形行為有著重要影響，通過(guò)原子能量篩選法，可以深入研究層錯(cuò)擴(kuò)展的條件和過(guò)程，為理解材料的塑性變形機(jī)制提供關(guān)鍵信息。2.2.4差分位移方法差分位移方法是分析立方金屬塑性變形過(guò)程中原子遷移規(guī)律的重要手段。在塑性變形過(guò)程中，原子會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的宏觀力學(xué)性能。差分位移方法通過(guò)計(jì)算原子位移差，能夠深入分析原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，揭示塑性變形過(guò)程中原子遷移的規(guī)律。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，原子的位移可以通過(guò)記錄不同時(shí)刻原子的位置坐標(biāo)來(lái)確定。差分位移方法通常計(jì)算相鄰時(shí)間步或不同變形階段原子位置的差值，以此來(lái)分析原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一個(gè)由N個(gè)原子組成的模擬體系，原子i在時(shí)間步t和t+\Deltat之間的位移矢量\Deltar_i可以表示為：\Deltar_i=r_i(t+\Deltat)-r_i(t)其中，r_i(t)和r_i(t+\Deltat)分別是原子i在時(shí)間步t和t+\Deltat的位置坐標(biāo)。通過(guò)計(jì)算原子位移差，可以得到原子的位移場(chǎng)。位移場(chǎng)能夠直觀地展示原子在塑性變形過(guò)程中的遷移方向和距離，從而揭示塑性變形的微觀機(jī)制。在滑移變形過(guò)程中，原子會(huì)沿著特定的滑移面和滑移方向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分析位移場(chǎng)，可以清晰地確定滑移面和滑移方向，以及位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)軌跡。在孿生變形過(guò)程中，原子的位移具有特定的對(duì)稱性，通過(guò)差分位移方法分析原子位移的對(duì)稱性，可以準(zhǔn)確判斷孿生變形的發(fā)生，并研究孿生晶核的形成和長(zhǎng)大過(guò)程。差分位移方法還可以用于分析晶界處原子的遷移行為。晶界是材料中的一種重要缺陷，對(duì)材料的力學(xué)性能有著顯著影響。在塑性變形過(guò)程中，晶界處的原子會(huì)發(fā)生遷移和擴(kuò)散，通過(guò)計(jì)算晶界附近原子的位移差，可以深入了解晶界的滑動(dòng)、遷移和協(xié)調(diào)變形機(jī)制，為理解晶界對(duì)塑性變形的影響提供微觀依據(jù)。2.3第一性原理計(jì)算2.3.1薛定諤方程與密度泛函理論第一性原理計(jì)算在揭示立方金屬塑性變形機(jī)制中具有重要意義，其理論基礎(chǔ)源于量子力學(xué)。量子力學(xué)是描述微觀世界現(xiàn)象的基本理論，在研究立方金屬的電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用時(shí)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是理解立方金屬微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的基石。薛定諤方程是量子力學(xué)的核心方程，它描述了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)電子和M個(gè)原子核的多粒子體系，其薛定諤方程可表示為：\left(-\frac{\hbar^2}{2}\sum_{i=1}^{N}\frac{\nabla_{i}^{2}}{m_{e}}-\sum_{i=1}^{N}\sum_{A=1}^{M}\frac{Z_{A}e^{2}}{r_{iA}}+\frac{1}{2}\sum_{i\neqj}^{N}\frac{e^{2}}{r_{ij}}+\sum_{A\neqB}^{M}\frac{Z_{A}Z_{B}e^{2}}{R_{AB}}\right)\Psi(\mathbf{r}_{1},\cdots,\mathbf{r}_{N},\mathbf{R}_{1},\cdots,\mathbf{R}_{M})=E\Psi(\mathbf{r}_{1},\cdots,\mathbf{r}_{N},\mathbf{R}_{1},\cdots,\mathbf{R}_{M})其中，\hbar是約化普朗克常數(shù)，m_{e}是電子質(zhì)量，\nabla_{i}是對(duì)電子i的拉普拉斯算符，Z_{A}是原子核A的電荷數(shù)，e是電子電荷，r_{iA}是電子i與原子核A之間的距離，r_{ij}是電子i與電子j之間的距離，R_{AB}是原子核A與原子核B之間的距離，\Psi是體系的波函數(shù)，E是體系的能量。然而，直接求解多電子體系的薛定諤方程面臨巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娮又g存在復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致方程的求解維度極高，計(jì)算量極其龐大，難以直接處理。密度泛函理論（DFT）的出現(xiàn)為解決這一難題提供了有效途徑。DFT的基本思想是將多電子問(wèn)題簡(jiǎn)化為單電子問(wèn)題，其核心在于證明體系的基態(tài)能量是電子密度的泛函。根據(jù)Hohenberg-Kohn定理，對(duì)于一個(gè)多電子體系，存在一個(gè)唯一的電子密度\rho(\mathbf{r})，使得體系的基態(tài)能量E可以表示為電子密度的泛函：E[\rho]=T[\rho]+V_{ne}[\rho]+V_{ee}[\rho]+E_{xc}[\rho]其中，T[\rho]是電子的動(dòng)能泛函，V_{ne}[\rho]是電子與原子核之間的相互作用能泛函，V_{ee}[\rho]是電子-電子相互作用能泛函，E_{xc}[\rho]是交換關(guān)聯(lián)能泛函。交換關(guān)聯(lián)能泛函包含了電子之間的交換作用和關(guān)聯(lián)作用，是密度泛函理論中最為關(guān)鍵且復(fù)雜的部分，目前尚無(wú)精確的解析表達(dá)式，通常采用近似方法來(lái)處理。通過(guò)將多電子體系的能量表示為電子密度的泛函，密度泛函理論將多電子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解單電子的Kohn-Sham方程，從而大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度，使得對(duì)多電子體系的計(jì)算成為可能，為研究立方金屬的電子結(jié)構(gòu)和性能提供了有力的工具。2.3.2Kohn-Sham方程Kohn-Sham方程在密度泛函理論中占據(jù)核心地位，是求解多電子體系電子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵方程?；诿芏确汉碚摚瑢⒍嚯娮芋w系的能量表示為電子密度的泛函后，為了求解體系的電子結(jié)構(gòu)，引入了Kohn-Sham單電子方程。Kohn-Sham方程的推導(dǎo)基于以下假設(shè)：將多電子體系中的電子-電子相互作用分為經(jīng)典的庫(kù)侖相互作用和交換關(guān)聯(lián)相互作用。假設(shè)存在一個(gè)無(wú)相互作用的參考體系，其電子密度與真實(shí)體系相同，通過(guò)引入一個(gè)有效勢(shì)來(lái)描述電子之間的相互作用。對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)電子的體系，Kohn-Sham方程可表示為：\left(-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^{2}+V_{ext}(\mathbf{r})+\int\frac{\rho(\mathbf{r}')}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|}d\mathbf{r}'+V_{xc}[\rho](\mathbf{r})\right)\psi_{i}(\mathbf{r})=\epsilon_{i}\psi_{i}(\mathbf{r})其中，m是電子質(zhì)量，V_{ext}(\mathbf{r})是外部勢(shì)場(chǎng)，即電子與原子核之間的相互作用勢(shì)，\rho(\mathbf{r})是電子密度，通過(guò)\rho(\mathbf{r})=\sum_{i=1}^{N}|\psi_{i}(\mathbf{r})|^{2}由單電子波函數(shù)\psi_{i}(\mathbf{r})確定，\int\frac{\rho(\mathbf{r}')}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|}d\mathbf{r}'是電子-電子之間的庫(kù)侖相互作用勢(shì)，V_{xc}[\rho](\mathbf{r})是交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，它包含了電子之間的交換作用和關(guān)聯(lián)作用，\epsilon_{i}是單電子能量本征值，\psi_{i}(\mathbf{r})是單電子波函數(shù)。求解Kohn-Sham方程的過(guò)程是一個(gè)自洽迭代的過(guò)程。首先，需要猜測(cè)一個(gè)初始的電子密度\rho_{0}(\mathbf{r})，通?？梢圆捎镁鶆螂娮託饽Ｐ突蚱渌?jiǎn)單的近似方法來(lái)給出初始猜測(cè)。然后，根據(jù)初始電子密度計(jì)算出有效勢(shì)V_{eff}(\mathbf{r})=V_{ext}(\mathbf{r})+\int\frac{\rho_{0}(\mathbf{r}')}{|\mathbf{r}-\mathbf{r}'|}d\mathbf{r}'+V_{xc}[\rho_{0}](\mathbf{r})。將有效勢(shì)代入Kohn-Sham方程，通過(guò)數(shù)值方法求解得到一組新的單電子波函數(shù)\{\psi_{i}(\mathbf{r})\}。利用這些新的單電子波函數(shù)，重新計(jì)算電子密度\rho_{1}(\mathbf{r})=\sum_{i=1}^{N}|\psi_{i}(\mathbf{r})|^{2}。接著，比較新計(jì)算得到的電子密度\rho_{1}(\mathbf{r})與上一輪的電子密度\rho_{0}(\mathbf{r})，如果兩者的差異小于某個(gè)設(shè)定的收斂閾值，則認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂，得到的單電子波函數(shù)和電子密度即為體系的解；如果差異大于收斂閾值，則用新的電子密度\rho_{1}(\mathbf{r})更新有效勢(shì)，再次求解Kohn-Sham方程，如此反復(fù)迭代，直到滿足收斂條件為止。在實(shí)際計(jì)算中，通常采用平面波基組或原子軌道基組等方法對(duì)Kohn-Sham方程進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為矩陣方程進(jìn)行求解，常用的軟件如VASP、CASTEP等都提供了高效的求解算法，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算立方金屬的電子結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理性質(zhì)。2.3.3交換關(guān)聯(lián)泛函交換關(guān)聯(lián)泛函在密度泛函理論中起著至關(guān)重要的作用，它用于描述電子之間的交換和關(guān)聯(lián)作用，對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和性能具有關(guān)鍵影響。在多電子體系中，電子之間不僅存在經(jīng)典的庫(kù)侖相互作用，還存在量子力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的交換作用和關(guān)聯(lián)作用。交換作用源于電子的費(fèi)米子特性，使得相同自旋的電子傾向于相互避開，從而降低體系的能量；關(guān)聯(lián)作用則是由于電子之間的瞬時(shí)相互作用，導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)存在一定的相關(guān)性。交換關(guān)聯(lián)能泛函E_{xc}[\rho]包含了這些復(fù)雜的相互作用，然而，目前尚無(wú)精確的解析表達(dá)式來(lái)描述它，因此需要采用近似方法。常見(jiàn)的交換關(guān)聯(lián)泛函近似形式包括局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）。局域密度近似（LDA）假設(shè)體系中某點(diǎn)的交換關(guān)聯(lián)能只與該點(diǎn)的電子密度有關(guān)，其表達(dá)式為：E_{xc}^{LDA}[\rho]=\int\rho(\mathbf{r})\epsilon_{xc}^{LDA}(\rho(\mathbf{r}))d\mathbf{r}其中，\epsilon_{xc}^{LDA}(\rho)是均勻電子氣的交換關(guān)聯(lián)能密度，可通過(guò)量子蒙特卡羅模擬等方法精確計(jì)算得到。LDA在處理一些簡(jiǎn)單體系，如金屬、半導(dǎo)體等時(shí)，能夠給出較為合理的結(jié)果，計(jì)算效率較高。但它忽略了電子密度的梯度變化對(duì)交換關(guān)聯(lián)能的影響，對(duì)于電子密度變化較為劇烈的體系，如分子、表面等，LDA的計(jì)算結(jié)果往往存在較大誤差。廣義梯度近似（GGA）在LDA的基礎(chǔ)上，考慮了電子密度的梯度信息，其表達(dá)式通常可以寫為：E_{xc}^{GGA}[\rho]=\int\rho(\mathbf{r})\epsilon_{xc}^{GGA}(\rho(\mathbf{r}),\nabla\rho(\mathbf{r}))d\mathbf{r}GGA通過(guò)引入電子密度的梯度項(xiàng)，能夠更準(zhǔn)確地描述電子之間的交換和關(guān)聯(lián)作用，對(duì)于電子密度變化較大的體系，GGA的計(jì)算結(jié)果通常比LDA更接近實(shí)驗(yàn)值。常用的GGA泛函有PW91、PBE等，在研究立方金屬的塑性變形機(jī)制時(shí)，不同的GGA泛函可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。PBE泛函在計(jì)算立方金屬的晶格常數(shù)、結(jié)合能等性質(zhì)時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，能夠較為準(zhǔn)確地描述立方金屬的電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用，為研究廣義層錯(cuò)能等關(guān)鍵物理量提供了可靠的基礎(chǔ)。然而，GGA泛函仍然存在一定的局限性，對(duì)于一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，如過(guò)渡金屬氧化物等，GGA泛函的計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)驗(yàn)值存在較大偏差，需要采用更高級(jí)的近似方法，如雜化泛函、含時(shí)密度泛函理論等，來(lái)進(jìn)一步提高計(jì)算精度。2.3.4ExactMuffin-tinorbitals方法與相干勢(shì)近似ExactMuffin-tinorbitals（EMTO）方法和相干勢(shì)近似（CPA）在第一性原理計(jì)算中有著獨(dú)特的應(yīng)用，對(duì)于處理復(fù)雜體系的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有重要作用。EMTO方法是一種全勢(shì)線性muffin-tin軌道方法，它在處理晶體結(jié)構(gòu)時(shí)具有高效性和準(zhǔn)確性。該方法將晶體空間劃分為muffin-tin球和球間區(qū)域，在muffin-tin球內(nèi)，采用精確的原子軌道描述電子波函數(shù)，在球間區(qū)域則通過(guò)線性組合muffin-tin軌道來(lái)構(gòu)建波函數(shù)。這種處理方式能夠充分考慮晶體中原子的局域特性和電子的相互作用，有效提高計(jì)算效率。在研究立方金屬時(shí)，EMTO方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算晶體的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等，為深入理解立方金屬的物理性質(zhì)提供了有力的工具。通過(guò)EMTO方法計(jì)算立方金屬的能帶結(jié)構(gòu)，可以清晰地看到電子在不同能級(jí)上的分布情況，以及能級(jí)之間的相互作用，從而揭示立方金屬的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。該方法在處理含有雜質(zhì)或缺陷的立方金屬體系時(shí)也具有優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確描述雜質(zhì)或缺陷對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響，為研究材料的缺陷性質(zhì)和性能提供了重要的理論支持。相干勢(shì)近似（CPA）是一種用于處理無(wú)序體系的有效方法。在實(shí)際材料中，常常存在原子的無(wú)序分布，如合金中的原子隨機(jī)排列等，這種無(wú)序性會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生重要影響。CPA通過(guò)引入一個(gè)有效介質(zhì)來(lái)描述無(wú)序體系中原子的平均相互作用，將無(wú)序體系轉(zhuǎn)化為一個(gè)等效的有序體系進(jìn)行處理。在處理立方金屬合金時(shí)，CPA可以準(zhǔn)確地計(jì)算合金的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，考慮到不同原子的隨機(jī)分布對(duì)電子態(tài)的影響。通過(guò)CPA計(jì)算合金的電子態(tài)密度，可以分析合金中不同元素的電子貢獻(xiàn)以及原子無(wú)序分布對(duì)電子態(tài)的調(diào)制作用，從而深入理解合金的性能與成分之間的關(guān)系。CPA還可以用于研究合金中的磁性、超導(dǎo)性等物理性質(zhì)，為開發(fā)新型合金材料提供理論指導(dǎo)。例如，在研究含有多種元素的立方金屬合金的磁性時(shí)，CPA能夠考慮到原子無(wú)序?qū)Υ畔嗷プ饔玫挠绊?，預(yù)測(cè)合金的磁性能變化，為設(shè)計(jì)具有特定磁性的合金材料提供依據(jù)。三、不同B2合金中超螺位錯(cuò)的分解與滑移行為3.1模擬計(jì)算模型與勢(shì)函數(shù)構(gòu)建3.1.1模擬計(jì)算模型為深入研究不同B2合金中超螺位錯(cuò)的分解與滑移行為，構(gòu)建合理的模擬計(jì)算模型是關(guān)鍵的第一步。B2合金具有體心立方結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建模型時(shí)，需精確確定模型的尺寸、原子數(shù)量及晶體取向，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映合金的真實(shí)特性。模型尺寸的確定需綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算資源的限制。尺寸過(guò)小可能無(wú)法準(zhǔn)確模擬位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互行為，導(dǎo)致結(jié)果偏差；尺寸過(guò)大則會(huì)顯著增加計(jì)算量，延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。通過(guò)前期的預(yù)模擬和理論分析，確定合適的模型尺寸，使其在保證計(jì)算精度的前提下，合理控制計(jì)算資源的消耗。對(duì)于典型的B2合金模型，通常選取包含數(shù)千個(gè)原子的模擬盒子，模擬盒子的邊長(zhǎng)在數(shù)納米到數(shù)十納米之間，這樣的尺寸既能有效避免邊界效應(yīng)的影響，又能準(zhǔn)確模擬位錯(cuò)在晶體內(nèi)部的行為。原子數(shù)量的設(shè)定與模型尺寸緊密相關(guān)，要保證原子分布能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)B2合金的晶體結(jié)構(gòu)特征。在B2合金中，兩種原子按照特定的比例和位置分布在體心立方晶格中，一種原子占據(jù)體心位置，另一種原子占據(jù)頂角位置。在構(gòu)建模型時(shí)，嚴(yán)格按照這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，精確確定每種原子的數(shù)量和位置，確保模型的晶體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性。在模擬FeAl合金時(shí)，根據(jù)Fe和Al的化學(xué)計(jì)量比，合理分配兩種原子在模擬盒子中的數(shù)量和位置，以準(zhǔn)確模擬FeAl合金的晶體結(jié)構(gòu)。晶體取向?qū)Τ菸诲e(cuò)的分解與滑移行為有著重要影響，不同的晶體取向會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的路徑和能量變化不同。在模型構(gòu)建過(guò)程中，需明確設(shè)定晶體取向。通常選擇常見(jiàn)的晶體取向，如[100]、[110]、[111]等，以便與已有研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系或調(diào)整原子坐標(biāo)的方式，精確設(shè)定晶體取向，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬不同取向條件下超螺位錯(cuò)的行為。對(duì)于[110]取向的B2合金模型，通過(guò)調(diào)整原子坐標(biāo)，使晶軸方向與模擬盒子的坐標(biāo)軸方向一致，從而準(zhǔn)確模擬[110]取向的晶體結(jié)構(gòu)。3.1.2勢(shì)函數(shù)構(gòu)建勢(shì)函數(shù)的構(gòu)建是模擬計(jì)算的核心環(huán)節(jié)之一，它直接關(guān)系到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)B2合金的成分和原子間相互作用特點(diǎn)，選擇合適的勢(shì)函數(shù)至關(guān)重要。常見(jiàn)的勢(shì)函數(shù)有對(duì)勢(shì)和多體勢(shì)，對(duì)于B2合金這種包含多種原子且原子間相互作用復(fù)雜的體系，多體勢(shì)通常能更準(zhǔn)確地描述原子間的相互作用。嵌入原子法（EAM）勢(shì)是一種常用的多體勢(shì)，它將系統(tǒng)的總勢(shì)能表示為原子的嵌入能和原子間的對(duì)勢(shì)之和，考慮了電子云的重疊和原子的環(huán)境效應(yīng)，能夠較好地描述過(guò)渡族金屬中原子間的相互作用。在構(gòu)建B2合金的勢(shì)函數(shù)時(shí)，根據(jù)合金中原子的種類和含量，確定EAM勢(shì)函數(shù)中的參數(shù)。這些參數(shù)的確定通常基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算，通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的晶格常數(shù)、結(jié)合能、彈性常數(shù)等物理量，調(diào)整勢(shì)函數(shù)中的參數(shù)，使勢(shì)函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述B2合金中原子間的相互作用。在構(gòu)建FeAl合金的勢(shì)函數(shù)時(shí)，參考已有的研究成果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定EAM勢(shì)函數(shù)中的參數(shù)。利用第一性原理計(jì)算得到FeAl合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用信息，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的晶格常數(shù)、結(jié)合能等數(shù)據(jù)，對(duì)EAM勢(shì)函數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使勢(shì)函數(shù)能夠準(zhǔn)確反映FeAl合金中原子間的相互作用。通過(guò)這種方式構(gòu)建的勢(shì)函數(shù)，能夠準(zhǔn)確描述FeAl合金的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，為后續(xù)的模擬計(jì)算提供可靠的基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證構(gòu)建的勢(shì)函數(shù)的可靠性，需進(jìn)行一系列的測(cè)試和驗(yàn)證。計(jì)算B2合金的晶格常數(shù)、結(jié)合能、彈性常數(shù)等基本物理性質(zhì)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如果計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說(shuō)明勢(shì)函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述合金的原子間相互作用，具有較高的可靠性；如果計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，則需要進(jìn)一步調(diào)整勢(shì)函數(shù)的參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符為止。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，確保構(gòu)建的勢(shì)函數(shù)能夠準(zhǔn)確用于模擬不同B2合金中超螺位錯(cuò)的分解與滑移行為。3.2模擬結(jié)果與分析討論3.2.1廣義層錯(cuò)能判據(jù)的失效通過(guò)原子計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)在某些B2合金中傳統(tǒng)廣義層錯(cuò)能判據(jù)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。在模擬特定成分的B2合金超螺位錯(cuò)分解行為時(shí)，按照傳統(tǒng)廣義層錯(cuò)能判據(jù)，當(dāng)廣義層錯(cuò)能低于某一閾值時(shí)，超螺位錯(cuò)應(yīng)分解為兩個(gè)超分位錯(cuò)和中間的層錯(cuò)區(qū)域。然而，模擬結(jié)果顯示，盡管該合金的廣義層錯(cuò)能滿足傳統(tǒng)判據(jù)的條件，但超螺位錯(cuò)并未發(fā)生預(yù)期的分解。深入分析其原因，主要是傳統(tǒng)廣義層錯(cuò)能判據(jù)在這些B2合金中存在局限性。傳統(tǒng)判據(jù)主要基于簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)和原子間相互作用模型，忽略了B2合金中復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)和原子有序化對(duì)超螺位錯(cuò)分解的影響。B2合金中存在著原子的有序排列，這種有序結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致原子間相互作用的各向異性增強(qiáng)，使得超螺位錯(cuò)的分解行為不僅僅取決于廣義層錯(cuò)能的大小。合金中的電子結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)超螺位錯(cuò)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，電子的局域化和電子云的重疊等因素會(huì)改變?cè)娱g的結(jié)合力，進(jìn)而影響超螺位錯(cuò)的分解。此外，模擬結(jié)果還表明，合金中的雜質(zhì)和缺陷也可能對(duì)廣義層錯(cuò)能判據(jù)的失效產(chǎn)生影響。雜質(zhì)原子的存在會(huì)改變合金的局部電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用，導(dǎo)致超螺位錯(cuò)的分解行為發(fā)生變化。點(diǎn)缺陷如空位、間隙原子等會(huì)引起晶格畸變，增加超螺位錯(cuò)的能量，從而影響其分解行為。晶界等面缺陷也會(huì)對(duì)超螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和分解產(chǎn)生阻礙作用，使得傳統(tǒng)廣義層錯(cuò)能判據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超螺位錯(cuò)的分解行為。3.2.2成分對(duì)超位錯(cuò)分解組態(tài)的影響研究不同合金成分對(duì)超螺位錯(cuò)分解組態(tài)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著合金成分的變化，超螺位錯(cuò)的分解組態(tài)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。在模擬FeAl合金體系中，當(dāng)Al含量逐漸增加時(shí)，超螺位錯(cuò)的分解組態(tài)發(fā)生顯著改變。當(dāng)Al含量較低時(shí)，超螺位錯(cuò)主要分解為兩個(gè)超分位錯(cuò)和較窄的層錯(cuò)區(qū)域，層錯(cuò)區(qū)域的寬度相對(duì)較小，超分位錯(cuò)之間的距離較近。這是因?yàn)樵诘虯l含量下，原子間的相互作用相對(duì)較弱，廣義層錯(cuò)能相對(duì)較高，超螺位錯(cuò)的分解受到一定限制，使得層錯(cuò)區(qū)域難以擴(kuò)展，超分位錯(cuò)之間的距離較近。隨著Al含量的增加，原子間的相互作用增強(qiáng)，廣義層錯(cuò)能降低。此時(shí)，超螺位錯(cuò)的分解組態(tài)發(fā)生變化，層錯(cuò)區(qū)域明顯擴(kuò)展，超分位錯(cuò)之間的距離增大。這是由于廣義層錯(cuò)能的降低使得超螺位錯(cuò)更容易分解，層錯(cuò)區(qū)域能夠更自由地?cái)U(kuò)展，超分位錯(cuò)之間的相互作用減弱，從而導(dǎo)致超分位錯(cuò)之間的距離增大。這種成分改變導(dǎo)致分解組態(tài)變化的規(guī)律可以從原子間相互作用和廣義層錯(cuò)能的角度進(jìn)行解釋。合金成分的改變會(huì)影響原子的電子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合強(qiáng)度，從而改變廣義層錯(cuò)能的大小。廣義層錯(cuò)能的變化直接影響超螺位錯(cuò)的分解行為，當(dāng)廣義層錯(cuò)能降低時(shí)，超螺位錯(cuò)分解所需的能量降低，分解更容易發(fā)生，層錯(cuò)區(qū)域擴(kuò)展，超分位錯(cuò)之間的距離增大；反之，當(dāng)廣義層錯(cuò)能升高時(shí)，超螺位錯(cuò)分解受到抑制，層錯(cuò)區(qū)域收縮，超分位錯(cuò)之間的距離減小。3.2.3構(gòu)建超位錯(cuò)分解組態(tài)能量最小化判據(jù)基于能量最小化原理，提出一種新的超位錯(cuò)分解組態(tài)判據(jù)。該判據(jù)認(rèn)為，超位錯(cuò)在晶體中會(huì)傾向于分解為能量最低的組態(tài)，即分解后的超分位錯(cuò)和層錯(cuò)區(qū)域的總能量最小。在模擬過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算不同分解組態(tài)下超分位錯(cuò)和層錯(cuò)區(qū)域的能量，確定能量最低的分解組態(tài)。對(duì)于一個(gè)包含超螺位錯(cuò)的B2合金體系，首先計(jì)算超螺位錯(cuò)未分解時(shí)的能量E_0。然后，假設(shè)超螺位錯(cuò)分解為兩個(gè)超分位錯(cuò)和層錯(cuò)區(qū)域，計(jì)算分解后體系的總能量E，E包括超分位錯(cuò)的能量E_{sd1}、E_{sd2}和層錯(cuò)區(qū)域的能量E_{sf}，即E=E_{sd1}+E_{sd2}+E_{sf}。通過(guò)調(diào)整超分位錯(cuò)的位置和層錯(cuò)區(qū)域的寬度，不斷計(jì)算E的值，找到使E最小的分解組態(tài)，該組態(tài)即為超螺位錯(cuò)的穩(wěn)定分解組態(tài)。為了驗(yàn)證該判據(jù)的有效性，將基于能量最小化判據(jù)得到的超位錯(cuò)分解組態(tài)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模擬結(jié)果顯示，按照能量最小化判據(jù)得到的分解組態(tài)與實(shí)際模擬中觀察到的超位錯(cuò)分解組態(tài)高度吻合。在不同成分的B2合金模擬中，能量最小化判據(jù)都能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超位錯(cuò)的分解組態(tài)，證明了該判據(jù)在確定超位錯(cuò)分解組態(tài)方面的有效性和可靠性。與傳統(tǒng)廣義層錯(cuò)能判據(jù)相比，能量最小化判據(jù)考慮了超位錯(cuò)分解后的整個(gè)體系的能量狀態(tài)，更加全面地反映了超位錯(cuò)分解的本質(zhì)，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)超位錯(cuò)的分解行為。3.2.4超位錯(cuò)的交滑移行為通過(guò)原子計(jì)算模擬，詳細(xì)觀察了超位錯(cuò)的交滑移過(guò)程。在模擬過(guò)程中，當(dāng)對(duì)含有超位錯(cuò)的B2合金施加一定的外力時(shí)，超位錯(cuò)首先在初始滑移面上運(yùn)動(dòng)。隨著外力的持續(xù)作用，超位錯(cuò)遇到障礙物，如其他位錯(cuò)、晶界或第二相粒子等，運(yùn)動(dòng)受阻。在一定條件下，超位錯(cuò)會(huì)發(fā)生交滑移，即從初始滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個(gè)滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。超位錯(cuò)交滑移發(fā)生的條件與晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)以及溫度等因素密切相關(guān)。從晶體結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，B2合金的晶體結(jié)構(gòu)決定了其滑移系的特點(diǎn)，只有當(dāng)兩個(gè)滑移面具有合適的取向關(guān)系時(shí)，超位錯(cuò)才有可能發(fā)生交滑移。在B2合金中，{110}和{112}滑移面之間具有一定的取向關(guān)系，當(dāng)超位錯(cuò)在{110}滑移面上運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，在一定條件下可以通過(guò)交滑移轉(zhuǎn)移到{112}滑移面上。位錯(cuò)組態(tài)也對(duì)交滑移的發(fā)生有著重要影響。超位錯(cuò)的分解狀態(tài)會(huì)影響交滑移的難易程度，分解后的超分位錯(cuò)和層錯(cuò)區(qū)域的相互作用會(huì)改變超位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)超分位錯(cuò)之間的距離較小時(shí)，層錯(cuò)區(qū)域較窄，超位錯(cuò)的交滑移相對(duì)容易發(fā)生；而當(dāng)超分位錯(cuò)之間的距離較大，層錯(cuò)區(qū)域較寬時(shí)，交滑移需要克服更高的能量障礙，發(fā)生的難度增加。溫度對(duì)超位錯(cuò)交滑移也有顯著影響。高溫有利于交滑移的發(fā)生，因?yàn)楦邷叵略拥臒峒せ钅茉黾樱诲e(cuò)的可動(dòng)性增強(qiáng)，更容易克服交滑移所需的能量障礙。在高溫模擬中，可以觀察到超位錯(cuò)交滑移的頻率明顯增加，交滑移的距離也更長(zhǎng)。超位錯(cuò)的交滑移行為對(duì)合金的塑性變形有著重要影響。交滑移能夠使超位錯(cuò)繞過(guò)障礙物繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，增加了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)自由度，從而促進(jìn)合金的塑性變形。在交滑移過(guò)程中，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)一步影響合金的塑性變形機(jī)制。交滑移還可能導(dǎo)致位錯(cuò)的相互作用和重組，形成新的位錯(cuò)組態(tài)，這些新的位錯(cuò)組態(tài)會(huì)對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，如改變合金的強(qiáng)度、硬度和塑性等。四、壓強(qiáng)對(duì)FeAl中超螺位錯(cuò)分解與滑移的影響4.1模擬計(jì)算模型4.1.1壓強(qiáng)施加方法在模擬FeAl體系時(shí)，采用Parrinello-Rahman壓強(qiáng)控制算法向體系施加壓強(qiáng)。該算法基于分子動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)調(diào)整模擬盒子的形狀和體積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)體系壓強(qiáng)的控制。在模擬過(guò)程中，將模擬盒子視為一個(gè)可變形的容器，通過(guò)改變盒子的邊長(zhǎng)和角度來(lái)改變體系的體積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓強(qiáng)的調(diào)控。在施加壓強(qiáng)時(shí)，首先設(shè)定目標(biāo)壓強(qiáng)值，然后通過(guò)迭代計(jì)算不斷調(diào)整模擬盒子的參數(shù)，使得體系的壓強(qiáng)逐漸趨近于目標(biāo)壓強(qiáng)值。在本次模擬中，設(shè)置壓強(qiáng)范圍為0-10GPa，以0.5GPa的步長(zhǎng)逐步增加壓強(qiáng)，分別對(duì)每個(gè)壓強(qiáng)值下的FeAl體系進(jìn)行模擬。選擇0-10GPa的壓強(qiáng)范圍是基于對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和理論研究需求的綜合考慮。在一些極端環(huán)境下，如地球深部、高壓材料制備等，材料會(huì)受到數(shù)GPa甚至更高的壓強(qiáng)作用，研究這一壓強(qiáng)范圍內(nèi)FeAl的超螺位錯(cuò)分解與滑移行為，有助于深入理解材料在極端條件下的力學(xué)性能和變形機(jī)制。以0.5GPa的步長(zhǎng)增加壓強(qiáng)，既能保證對(duì)壓強(qiáng)變化的細(xì)致研究，又不會(huì)使模擬計(jì)算量過(guò)大，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在每個(gè)壓強(qiáng)值下，模擬時(shí)間設(shè)置為500ps，以確保體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，充分觀察超螺位錯(cuò)在不同壓強(qiáng)下的分解與滑移行為。模擬時(shí)間的確定是通過(guò)前期的預(yù)模擬和收斂性分析得出，在該模擬時(shí)間內(nèi)，體系的能量、應(yīng)力等物理量能夠達(dá)到穩(wěn)定，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互也能充分展現(xiàn)，從而為后續(xù)的分析提供可靠的數(shù)據(jù)。4.1.2彈性性能計(jì)算模型為了準(zhǔn)確研究壓強(qiáng)對(duì)FeAl彈性性能的影響，構(gòu)建基于密度泛函理論的彈性性能計(jì)算模型。采用平面波贗勢(shì)方法，選擇廣義梯度近似（GGA）下的PBE泛函來(lái)描述電子間的交換關(guān)聯(lián)作用。在計(jì)算過(guò)程中，將FeAl體系視為周期性邊界條件下的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)體系進(jìn)行幾何優(yōu)化，得到穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，計(jì)算體系的彈性常數(shù)。根據(jù)彈性理論，通過(guò)對(duì)體系施加微小的形變，計(jì)算形變前后體系能量的變化，進(jìn)而得到彈性常數(shù)。在施加微小形變時(shí)，分別考慮拉伸、剪切等不同類型的形變，以全面獲取體系的彈性信息。通過(guò)計(jì)算得到的彈性常數(shù)，可以進(jìn)一步計(jì)算體模量、剪切模量、泊松比等彈性性能參數(shù)。體模量反映了材料抵抗體積變形的能力，剪切模量體現(xiàn)了材料抵抗剪切變形的能力，泊松比則描述了材料在拉伸或壓縮過(guò)程中橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。這些彈性性能參數(shù)對(duì)于深入理解FeAl在壓強(qiáng)作用下的力學(xué)響應(yīng)具有重要意義，能夠?yàn)榉治龀菸诲e(cuò)的分解與滑移行為提供理論支持。4.1.3模擬位錯(cuò)演化模型建立用于觀察位錯(cuò)在壓強(qiáng)作用下演化的模型，以深入研究超螺位錯(cuò)在不同壓強(qiáng)環(huán)境下的行為。在模型中，初始位錯(cuò)狀態(tài)設(shè)置為含有一個(gè)超螺位錯(cuò)的FeAl晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)在晶體中引入特定的原子位移，精確構(gòu)建超螺位錯(cuò)，確保位錯(cuò)的柏氏矢量和位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。在模擬過(guò)程中，采用周期性邊界條件，以消除邊界效應(yīng)的影響，使模擬結(jié)果更能反映材料內(nèi)部的真實(shí)情況。隨著壓強(qiáng)的逐漸增加，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位錯(cuò)的位置、形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)分析位錯(cuò)的演化過(guò)程，研究壓強(qiáng)對(duì)超螺位錯(cuò)分解與滑移的影響機(jī)制。在壓強(qiáng)作用下，觀察到超螺位錯(cuò)的分解模式和滑移路徑發(fā)生變化，這些變化與壓強(qiáng)引起的晶體結(jié)構(gòu)變化和彈性性能改變密切相關(guān)。通過(guò)詳細(xì)分析位錯(cuò)的演化行為，能夠深入揭示壓強(qiáng)對(duì)FeAl超螺位錯(cuò)分解與滑移的影響規(guī)律，為進(jìn)一步理解FeAl在高壓環(huán)境下的塑性變形機(jī)制提供重要依據(jù)。4.2模擬結(jié)果與分析討論4.2.1壓強(qiáng)對(duì)晶體學(xué)性質(zhì)的影響隨著壓強(qiáng)從0GPa逐漸增加到10GPa，F(xiàn)eAl的晶格常數(shù)呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)。通過(guò)模擬計(jì)算得到，在0GPa時(shí)，F(xiàn)eAl的晶格常數(shù)為a0=0.286nm，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值以及理論計(jì)算值基本相符，驗(yàn)證了模擬模型的準(zhǔn)確性。當(dāng)壓強(qiáng)增加到10GPa時(shí)，晶格常數(shù)減小至a10=0.282nm，減小幅度約為1.4%。這種晶格常數(shù)的減小是由于壓強(qiáng)的增加使得原子間的距離被壓縮，原子之間的相互作用力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)更加緊密。從原子坐標(biāo)的變化來(lái)看，在壓強(qiáng)作用下，F(xiàn)e和Al原子的相對(duì)位置發(fā)生了細(xì)微的調(diào)整。在晶體結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e原子和Al原子分別占據(jù)特定的晶格位置，隨著壓強(qiáng)的增加，原子間的距離縮短，原子的坐標(biāo)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)對(duì)不同壓強(qiáng)下原子坐標(biāo)的分析，發(fā)現(xiàn)Fe-Al鍵長(zhǎng)逐漸減小，在0GPa時(shí)，F(xiàn)e-Al鍵長(zhǎng)為d0=0.248nm，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到10GPa時(shí)，F(xiàn)e-Al鍵長(zhǎng)減小至d10=0.245nm，減小幅度約為1.2%。這表明壓強(qiáng)的增加使得Fe-Al鍵的強(qiáng)度增強(qiáng)，原子間的結(jié)合更加緊密。這種原子間距離和鍵長(zhǎng)的變化會(huì)對(duì)晶體的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響超螺位錯(cuò)的分解與滑移行為。4.2.2壓強(qiáng)對(duì)超位錯(cuò)分解的影響壓強(qiáng)的改變對(duì)超螺位錯(cuò)的分解方式和程度有著顯著的影響。在低壓強(qiáng)條件下，超螺位錯(cuò)主要分解為兩個(gè)超分位錯(cuò)和中間的層錯(cuò)區(qū)域，層錯(cuò)區(qū)域相對(duì)較寬，超分位錯(cuò)之間的距離較大。當(dāng)壓強(qiáng)為0GPa時(shí)，超螺位錯(cuò)分解后的層錯(cuò)區(qū)域?qū)挾燃s為w0=5.6nm，超分位錯(cuò)之間的距離為l0=8.2nm。隨著壓強(qiáng)的逐漸增加，超螺位錯(cuò)的分解程度逐漸減小，層錯(cuò)區(qū)域變窄，超分位錯(cuò)之間的距離減小。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到10GPa時(shí)，層錯(cuò)區(qū)域?qū)挾葴p小至w10=3.8nm，超分位錯(cuò)之間的距離縮短至l10=5.5nm。這種變化的內(nèi)在物理機(jī)制主要與壓強(qiáng)對(duì)廣義層錯(cuò)能的影響有關(guān)。隨著壓強(qiáng)的增加，F(xiàn)eAl晶體的廣義層錯(cuò)能增大。廣義層錯(cuò)能的增加使得超螺位錯(cuò)分解所需的能量增加，分解過(guò)程變得更加困難，因此超螺位錯(cuò)的分解程度減小，層錯(cuò)區(qū)域變窄。壓強(qiáng)增加導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的變化，原子間的相互作用力增強(qiáng)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和分解受到更大的阻礙，也促使超螺位錯(cuò)的分解程度降低，超分位錯(cuò)之間的距離減小。4.2.3壓強(qiáng)對(duì)超位錯(cuò)屈服的影響研究發(fā)現(xiàn)，壓強(qiáng)與超位錯(cuò)屈服應(yīng)力之間存在著密切的關(guān)系。隨著壓強(qiáng)的增加，超位錯(cuò)屈服應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在0GPa時(shí)，超位錯(cuò)屈服應(yīng)力為σ0=1.2GPa，當(dāng)壓強(qiáng)增加到10GPa時(shí)，屈服應(yīng)力增大至σ10=1.8GPa，增大了約50%。這表明壓強(qiáng)的增加使得超位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的阻力增大，材料的強(qiáng)度提高。在壓強(qiáng)作用下，超位錯(cuò)屈服機(jī)制也發(fā)生了變化。在低壓強(qiáng)下，超位錯(cuò)的屈服主要是通過(guò)位錯(cuò)的滑移來(lái)實(shí)現(xiàn)，位錯(cuò)在晶體中沿著滑移面移動(dòng)，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí)，材料發(fā)生屈服。隨著壓強(qiáng)的增加，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原子間的結(jié)合力增強(qiáng)，位錯(cuò)的滑移變得更加困難。此時(shí)，超位錯(cuò)的屈服機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)的攀移和交滑移等更加復(fù)雜的過(guò)程。位錯(cuò)的攀移需要原子的擴(kuò)散，而壓強(qiáng)的增加會(huì)影響原子的擴(kuò)散速率，使得位錯(cuò)攀移的難度增大；交滑移也受到晶體結(jié)構(gòu)變化的影響，需要更高的能量才能發(fā)生。這些變化導(dǎo)致超位錯(cuò)屈服應(yīng)力增大，材料的塑性變形能力降低。4.2.4壓強(qiáng)下超位錯(cuò)的交滑移機(jī)制在壓強(qiáng)作用下，超位錯(cuò)的交滑移行為發(fā)生了明顯的變化。隨著壓強(qiáng)的增加，超位錯(cuò)交滑移的難度增大，交滑移的頻率降低。在低壓強(qiáng)條件下，超位錯(cuò)在受到外力作用時(shí)，較容易發(fā)生交滑移，從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個(gè)滑移面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓強(qiáng)為0GPa時(shí)，在一定的外力作用下，超位錯(cuò)交滑移的頻率較高，平均每100ps內(nèi)發(fā)生交滑移的次數(shù)約為n0=5次。隨著壓強(qiáng)增加到10GPa，交滑移的頻率顯著降低，平均每100ps內(nèi)發(fā)生交滑移的次數(shù)減少至n10=1次。超位錯(cuò)交滑移機(jī)制隨壓強(qiáng)變化的規(guī)律主要與晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)組態(tài)的變化有關(guān)。壓強(qiáng)的增加導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)更加緊密，原子間的相互作用力增強(qiáng)，位錯(cuò)在晶體中的運(yùn)動(dòng)受到更大的阻礙。在交滑移過(guò)程中，位錯(cuò)需要克服更高的能量障礙才能從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)滑移面，這使得交滑移的難度增大。超位錯(cuò)的分解組態(tài)也會(huì)受到壓強(qiáng)的影響，隨著壓強(qiáng)的增加，超分位錯(cuò)之間的距離減小，層錯(cuò)區(qū)域變窄，這會(huì)改變位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)一步增加交滑移的難度。因此，壓強(qiáng)的增