西南交大《Acta Materialia》：位错-晶界交互作用的三维离散位错动力学模拟
晶界对多晶材料的塑性变形有重要影响，尤其是当材料的尺寸达到微米/纳米级别。不同的位错-晶界交互作用机制往往会导致不同的塑性变形特征。由于晶界类型的多样性以及晶界结构的复杂性，位错与晶界的相互作用有多种形式，包括位错穿透晶界、位错被晶界吸收、位错从晶界处反射或发射等。
位错动力学模拟作为分子动力学和有限元模拟的桥梁，已经成为研究晶体材料在纳/微米尺度下力学行为及其内在机理的有效工具。近年来，许多学者基于离散位错动力学建立位错-晶界交互作用模型并用于分析晶界对双晶和多晶金属材料塑性变形行为的影响。其中部分研究采用二维离散位错动力学模型。晶界模型通常假设为刚性障碍（即位错不可穿透），部分研究采用非刚性晶界模型但仅适用于小角度倾斜晶界。因此，在三维位错动力学框架中建立一个基于物理的且适用于各种晶界类型的晶界模型对多晶材料的塑性变形机理研究有重要意义。
西南交通大学“材料本构关系和疲劳断裂”研究团队“多尺度材料力学”研究组，在三维离散位错动力学-有限元耦合框架中，采用“粗粒化”的思想，建立了考虑晶界吸收位错和晶界发射位错两种机制的位错-晶界交互作用模型。相关研究成果近期以“Dislocation–grain boundary interaction-based discrete dislocation dynamics modeling and its application to bicrystals with different misorientations”为题在线发表于Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.052
几何上，晶界面被划分成大小相等的网格。物理上，在晶界吸收位错和晶界发射位错阶段，每个网格可分别视为一个“位错汇”和“位错源”。本构准则方面，位错被晶界吸收的临界应力（晶界强度）通过分子动力学模拟确定，位错发射需考虑几何条件和应力条件。通过上述处理，该晶界模型可以有效地处理任意晶界取向差下位错与晶界的交互作用。
图1位错-晶界交互作用示意图
为验证晶界模型的有效性。首先对含有大角度晶界的双晶微柱及其相应的单晶微柱进行了压缩模拟。通过单、双晶微柱压缩力学行为的对比和分析研究晶界对塑性变形的影响。接着对具有不同取向差的大角度倾斜晶界的双晶微柱进行了压缩模拟。
图2两种单晶、含刚性晶界和含非刚性晶界双晶微柱的位错结构以及位错密度沿Z方向的分布
模拟结果表明：(1)双晶微柱的屈服强度比对应的单晶微柱高，该现象不仅这与双晶微柱中晶界对位错的截断导致位错源长度变短有关，而且与位错在晶界附近塞积紧密相关；(2)在压缩应力-应变曲线中，不同模型应力陡降幅值的大小为：含刚性晶界的双晶微柱<含非刚性晶界的双晶微柱<具有多滑移的单晶微柱<具有单滑移的单晶微柱，应力陡降主要与位错-晶界以及位错-位错的交互作用有关；(3)在所研究的大角度倾斜晶界双晶微柱中，晶界的取向差以及晶界强度对分切应力、位错吸收和发射等力学响应都没有直接影响。双晶微柱的流动应力主要与复杂的晶界特征以及林位错相互作用产生强化与可动位错运动产生软化之间的竞争有关。
图3三个不同取向差的双晶微柱应力、总位错、吸收位错和发射位错的演化以及总位错密度沿晶界面法向的分布
该研究受到国家自然科学基金（No. 11672251 和 No. 11872321）的资助。