晶界對多晶材料的塑性變形有重要影響，尤其是當材料的尺寸達到微米/納米級別。不同的位錯-晶界交互作用機制往往會導致不同的塑性變形特徵。由於晶界類型的多樣性以及晶界結構的複雜性，位錯與晶界的相互作用有多種形式，包括位錯穿透晶界、位錯被晶界吸收、位錯從晶界處反射或發射等。
位錯動力學模擬作為分子動力學和有限元模擬的橋梁，已經成為研究晶體材料在納/微米尺度下力學行為及其內在機理的有效工具。近年來，許多學者基於離散位錯動力學建立位錯-晶界交互作用模型並用於分析晶界對雙晶和多晶金屬材料塑性變形行為的影響。其中部分研究採用二維離散位錯動力學模型。晶界模型通常假設為剛性障礙（即位錯不可穿透），部分研究採用非剛性晶界模型但僅適用於小角度傾斜晶界。因此，在三維位錯動力學框架中建立一個基於物理的且適用於各種晶界類型的晶界模型對多晶材料的塑性變形機理研究有重要意義。
西南交通大學「材料本構關係和疲勞斷裂」研究團隊「多尺度材料力學」研究組，在三維離散位錯動力學-有限元耦合框架中，採用「粗粒化」的思想，建立了考慮晶界吸收位錯和晶界發射位錯兩種機制的位錯-晶界交互作用模型。相關研究成果近期以「Dislocation–grain boundary interaction-based discrete dislocation dynamics modeling and its application to bicrystals with different misorientations」為題在線發表於Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.052
幾何上，晶界面被劃分成大小相等的網格。物理上，在晶界吸收位錯和晶界發射位錯階段，每個網格可分別視為一個「位錯匯」和「位錯源」。本構準則方面，位錯被晶界吸收的臨界應力（晶界強度）通過分子動力學模擬確定，位錯發射需考慮幾何條件和應力條件。通過上述處理，該晶界模型可以有效地處理任意晶界取向差下位錯與晶界的交互作用。
圖1位錯-晶界交互作用示意圖
為驗證晶界模型的有效性。首先對含有大角度晶界的雙晶微柱及其相應的單晶微柱進行了壓縮模擬。通過單、雙晶微柱壓縮力學行為的對比和分析研究晶界對塑性變形的影響。接著對具有不同取向差的大角度傾斜晶界的雙晶微柱進行了壓縮模擬。
圖2兩種單晶、含剛性晶界和含非剛性晶界雙晶微柱的位錯結構以及位錯密度沿Z方向的分布
模擬結果表明：(1)雙晶微柱的屈服強度比對應的單晶微柱高，該現象不僅這與雙晶微柱中晶界對位錯的截斷導致位錯源長度變短有關，而且與位錯在晶界附近塞積緊密相關；(2)在壓縮應力-應變曲線中，不同模型應力陡降幅值的大小為：含剛性晶界的雙晶微柱<含非剛性晶界的雙晶微柱<具有多滑移的單晶微柱<具有單滑移的單晶微柱，應力陡降主要與位錯-晶界以及位錯-位錯的交互作用有關；(3)在所研究的大角度傾斜晶界雙晶微柱中，晶界的取向差以及晶界強度對分切應力、位錯吸收和發射等力學響應都沒有直接影響。雙晶微柱的流動應力主要與複雜的晶界特徵以及林位錯相互作用產生強化與可動位錯運動產生軟化之間的競爭有關。
圖3三個不同取向差的雙晶微柱應力、總位錯、吸收位錯和發射位錯的演化以及總位錯密度沿晶界面法向的分布
該研究受到國家自然科學基金（No. 11672251 和 No. 11872321）的資助。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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