Границы зерен (ГЗ) играют важную роль в формировании физико-механических свойств материалов. Для предсказания многих свойств поликристаллов необходимы теоретические исследования структуры ГЗ на атомном уровне. Кристаллогеометрический подход при рассмотрении области сопряжения двух кристаллитов, например, в рамках модели решетки совпадающих узлов (РСУ), является недостаточным, поэтому все более широкое применение находят методы компьютерного моделирования.

В настоящей работе проведено компьютерное моделирование атомной структуры и энергии границы зерен наклона в алюминии. Исследовалась специальная граница S =13[100](015). Осью поворота ГЗ является направление [100], угол разориентации составляет 22,62° . Модельный бикристалл с дефектом имеет размеры, позволяющие провести расчеты ГЗ вдоль оси поворота на один период идентичности, и на пять периодов идентичности вдоль ГЗ.

Межатомное взаимодействие аппроксимировалось парным эмпирическим потенциалом Морза. Энергия дефекта определялась как разность энергий идеального кристалла и кристалла с дефектом. При расчетах энергии учитывалось взаимодействие атомов в трех координационных сферах.

Для определения стабильной структуры ГЗ проведено моделирование трех способов релаксации: введение вакансий в ядро ГЗ, жесткий сдвиг одного зерна относительно другого смещением атомов из узлов кристаллической решетки (“полная” релаксация). Критерием стабильности структуры ГЗ принята зернограничная энергия.

Процедура введения вакансий осуществлялась двумя способами: удалением одного из атомов, сблизившихся при образовании ГЗ (локализованные вакансии), и формированием распределенных вакансий путем смещения второго атома в плоскость ГЗ. Релаксация жестким сдвигом осуществлялась методом построения g -поверхности. Процедура проведения “полной” релаксации заключалась в определении сил, действующих на атомы расчетной ячейки по формуле

,

и смещении атомов пропорционально действующим силам. Здесь - расстояние между i-м и j-м атомами, и - радиус-векторы, определяющие положение i-го и j-го атомов.

Результаты исследований приведены в таблице. Видно, что исходная конфигурация атомов является энергетически невыгодной. Однако жесткий безбарьерный сдвиг значительно понижает ее энергию. Это говорит о возможности “чистого” зернограничного проскальзывания. Эффективным способом понижения зернограничной энергии является также введение вакантных узлов, что свидетельствует о существовании кристаллографически необходимых вакансий в данной границе. Энергия достигает минимума после удаления двух атомов с дальнейшим жестким сдвигом. Однако величина потенциального барьера достаточно велика. Поэтому более вероятно после удаления атомов их смещение из узлов кристаллической решетки.

Таблица 1

Энергия границы в мДж/м² S =13[100](015) после проведения различных способов

релаксации. В скобках указана величина потенциального барьера, препятствующего сдвигу