晶粒吞并过程中在位错作用下晶界迁移的分子动力学模拟

材料的诸多宏观特性，例如力学性能、热稳定性、抗疲劳性能等都主要取决于其微观结构。为了获得性能良好的材料通常需要调控微观结构的发展，如通过热处理促使晶界发生移动，从而实现微观结构的转变，以获得所需的性能。通常，大多数固态相变，包括晶粒吞并生长、再结晶和相变过程，都是由晶界迁移所主导的。在原子尺度，晶界迁移是由原子层面的机制决定的，在热处理过程中，随着温度升高，原子的热运动加剧，这涉及到原子从一个晶粒到另一个晶粒的合并，这一过程与原子在晶界上的结构重组密切相关，并且与这些动态过程相关的晶界迁移经常遇到晶格缺陷。然而，在实验中，追踪单个原子或列的运动，以及在迁移过程中相关的晶界结构演变仍然具有挑战性，晶界-缺陷相互作用的原子机制在很大程度上仍不清楚。

分子动力学(MD)的发展为原子层面的研究提供了一个契机，可直接可视化原子晶界迁移。同时，原位透射电子显微镜(TEM)可以追踪复杂晶界的结构细节以及它们在迁移过程中的演变。虽然许多研究，都致力于分析原子态晶界的迁移机制，但大多数研究都是聚焦于曲率或应力诱导的晶界迁移机制。近日，昱华先进材料研究院团队通过从原位TEM中的获得的视频录像发现晶粒吞并现象，进而结合MD，应用晶粒吞并“自然”驱动力-位错，研究晶界与位错缺陷结构之间的相互作用，从原子级探索晶粒吞并长大的机制。

首先从原位TEM中获取晶粒吞并的两个晶粒取向，并测量两个晶粒的晶界面角度，得到晶界角度及重合点阵因子Σ（图1）。接着采用MD方法，构建合金及晶界（图2），对其进行升温模拟，结果表明，由位错排列的多余能量驱动的晶体材料中的晶界迁移，晶界以不规则的方式迁移，并且对局部位错的存在表现出强烈的依赖性。

计算模拟与试验相结合的方法是未来材料研究的热门方向，通过材料的理性设计与计算模拟,证明了晶粒吞并过程中是原子与位错在晶界边缘的协同作用，可以在原子层次上揭示材料的结构与性能之间的联系,预测新材料。除此之外该方法也适用其他晶界动力学的问题，为高温钛合金的研究打开新的通道。同时这也促进了材料研究模式从“经验指导实验”向“理性设计与计算模拟、实验验证”转变。