复杂浓度合金具有优异的力学性能，是由于其非均相成分和微观组织的双重作用。在复杂浓度合金中，晶界作为主要组织起着重要作用。GBs作为强大的屏障，阻碍位错运动，从而影响变形行为，控制多晶材料的力学性能。位错的传递和位错源的激活高度依赖于晶界的特性。然而，在微秒级和纳米级的复杂浓度合金中，晶界的形成和运动对力学性能的影响尚不清楚。来自湖南大学的Jia Li等人以AlCu合金为例，利用晶体相场模型研究了复杂浓度合金的实时晶界形成和运动，并与传统合金进行了比较。结果表明，低浓度合金主要在晶界发生偏析，在长时间的晶粒生长过程中，成分波动最小；而复杂浓度合金在晶粒内部表现出较高的浓度梯度，导致晶粒在短时间内快速旋转和合并。在复杂浓度合金中，较大的分量波动不仅会引起局部晶格畸变，阻碍位错在变形过程中的移动，而且会导致位错从锁定到自解锁的发生，有利于提高强度和塑性。原子尺度上的模拟方法主要有传统的相场模拟、分子动力学(MD)模拟和相场晶体(PFC)模拟。传统的相场模拟采用的场变量不能显示缺陷的原子细节。利用MD模拟，研究了原子水平上GB的运动。而MD模拟的特征尺度时间为原子振动时间，MD模拟的动态变形过程为高应力、高应变速率(107 ~ 1010s -1)，与实际实验应变速率(10-5 ~ 10-3 s -1)相矛盾。PFC方法可以看作是原子水平MD模拟和传统相场模拟的桥梁。将经典的密度泛函理论和热力学与PFC方法联系起来，为物理意义提供了深厚的理论基础，建立了模拟与实验结果之间的强相关性。与传统相场模型相比，PFC方法具有扩散界面的优点。通过引入描述晶体周期性分数点阵结构的原子密度函数，可以获得晶粒取向、弹性效应、位错运动和界面能等信息。PFC方法具有原子尺度和扩散时间尺度的优势，可以揭示复杂浓度合金中由于成分波动引起的微观组织演变。![]()
图1. (a, b)使用PFC模型计算了温度为302℃和476℃时固、液相的自由能曲线。(c)采用PFC模型得到的二元Al-Cu合金共晶相图。根据Al-Cu合金的实验相图，考虑到Cu浓度和固液平衡温度，对浓度和温度进行了调整。
由于PFC具有自一致耦合晶粒生长过程的能力，因此初始晶粒形状被设置为简单的正方形。因此，将样品分成10 × 10个区域，每个区域以30 ~ 60°的随机角度旋转，样品共有100粒，如图2(c)所示。由此制备出如图2(d)所示的二元多晶Al-Cu合金。元素的初始浓度保持不变。样品含有16384个原子。首先模拟了传统合金和复杂浓度合金在退火过程中的晶粒生长，然后观察了GBs的形成和特征。退火过程中晶粒长大后，对合金试样施加应变，观察晶粒变形特征，揭示相应的变形机制。![]()
图2. (a) fcc合金在(100)平面上的原子密度分布。(a1)局部放大的原子密度，密度峰位于原子中心位置。(a2)原子密度场的三维分布。(b)原子密度沿(a)黄线的周期性排列。(c)包含100个晶粒的多晶样品的初始旋转角度。(d) PFC模型制备的原子多晶AlCu合金，弛豫后受到拉伸变形。
晶粒长大是退火过程中经常观察到的现象，晶粒尺寸的逐渐增大主要是由GBs表面积的减小所驱动的。PFC方法能够自主促进GB移动。通过实验热处理使Al-Cu合金成分和晶粒均匀，目的是研究异常晶粒的形成。图3显示了传统合金随着退火时间的增加晶粒演变情况。晶粒生长过程分为三个阶段:在晶粒生长早期，低角度GB迁移导致晶粒合并(0 ~ 2 min)，如图3(a, b)所示。Cu元素偏析发生在GBs和缺陷处，伴随着位错的产生和GBs的形成，图4a显示了晶粒粗化初期位错密度的快速增加。在晶粒生长的中期(2 min ~ 18 min)，晶粒的生长速度开始放缓，图4b为晶粒粗化过程中晶粒数的增加速度和晶粒尺寸的持续下降。通过晶粒的逐渐运动和晶粒的旋转，小晶粒被周围的大晶粒吞没。![]()
图3.不同时间(a)15s，(b)2min，(c-e)18min，(f)60min，传统合金中的原子演化图。
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图4.
(a)不同晶粒生长阶段的位错密度。(b)晶粒尺寸随时间的增加。(c, d) 不同生长阶段晶粒旋转在平面内的分布。
本文建立了考虑浓度梯度效应的PFC模型，与传统合金相比，研究了复杂浓度合金结晶过程中GBs的实时动态形成，并用于模拟实际实验应变速率下GBs的演变。结果表明，浓度梯度导致组分波动，是促进GBs形成的关键因素。低浓度合金的成分波动小，导致GB迁移缓慢。然而，高浓度合金引起了大规模的成分波动，驱动了GB迁移和晶粒的快速旋转和合并。低角GBs的运动释放了应变能，减少了低浓度合金中的位错发射。此外，GBs产生的位错数量增加以抵消变形。这些位错有相互碰撞互锁的倾向，形成位错锁，位错锁作为位错随空位滑动的屏障，最终促进位错的积累。相比之下，在高浓度合金中，大角度GBs通过位错发射释放应变能。发射的位错相互交织形成位错锁定结构，进而触发自解锁，提高了强度和延展性。相关研究成果以“A phase field crystal model for real-time grain boundary formation and motion
in complex concentration alloy”为题发表在Acta
Materialia（Volume: 281，2024，120425）上，论文第一作者为Jia
Li，通讯作者为Bin Liu和Qihong
Fang。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120425
