bcc 铁中晶界预熔化和剪切的相场晶体研究

我们利用相场晶体 (PFC) 方法，研究了经典 bcc Fe 模型中在高温同系温度下，整个取向差范围 $0<\theta<90^\circ$ 内 $[001]$ 对称倾斜晶界 (GBs) 的平衡预熔化和非平衡剪切行为。我们表征了预熔化层宽度 $W$ 随温度和取向差的变化依赖关系，并计算了热力学分离势，其关于 $W$ 的导数代表了由于密度波空间重叠而产生的晶体 - 熔体界面之间的结构力。我们还通过分子动力学 (MD) 模拟计算了分离势，以便与 PFC 模拟进行定量比较，并利用从 PFC 导出的粗粒化振幅方程 (AE) 提供额外的解析见解。我们发现，对于处于中间取向差范围 ($\theta_{\rm min}<\theta<\theta_{\rm max}$) 的晶界，当从下方趋近熔化温度时，$W$ 发散，对应于纯排斥分离势；而对于该范围之外的晶界 ($\theta<\theta_{\rm min}$ 或 $\theta_{\rm max}<\theta<90^\circ$)，$W$ 在熔点处保持有限，其值对应于分离势的浅吸引极小值。响应平行于晶界平面的剪切应力，PFC 模拟中的晶界表现出垂直于该平面的耦合运动，耦合因子随 $\theta$ 发生不连续变化，反映了两种耦合模式之间的转变和/或滑动（两个晶粒的剪切）。这两种耦合模式的耦合因子与先前的理论预测 [J. W. Cahn, Y. Mishin, and A. Suzuki, Acta Mater. 54, 4953 (2006)] 在定量上高度一致。