体心立方和六角金属中位错偶转变的多时间尺度原子模拟

位错偶由同一滑移系中不同滑移面上符号相反的两根位错所组成，其广泛存在于塑性变形的金属材料中，对关键变形机制起到重要作用。以往研究假设位错偶的绝热自发湮灭，对产物的具体形成过程及其对后续变形可能影响的详细研究较少。本项目采用第一原理、分子动力学和改进后的赝动力学等方法，结合短时间与长时间尺度模拟，对体心立方和六角结构金属及合金中的位错偶转变行为及产物对塑性行为的影响进行模拟研究。揭示不同条件下，位错偶芯结构的自身稳定性、位错偶转变的原子细节、转变产物的稳定性、转变产物与其它缺陷的相互作用机制等；理解位错偶及其转变产物对材料塑性行为的影响；提供对于位错偶湮灭过程更为全面的认识；加深对于位错相关力学行为的理解。从全新的角度审视材料缺陷的相互作用，通过对塑性过程原子细节的描述，为改善材料的力学性能，尤其是极端条件下的性能提供有力支持，从而服务于新材料的设计。

基于多尺度模拟，本项目系统考察了在体心和六角体系中位错偶转变、产物长时间演化及其对塑性的影响。首先，构造了不同高度和取向的位错偶，得到了针对多种体系优化的模拟参数；进行了不同温度下位错偶转变的分子动力学模拟，得到了多种体系中，不同位错偶高度、位错取向及温度下转变产物的原子构型，给出了转变产物与转变条件的关系。其次，结合赝动力学和激发弛豫方法改进了长时间演化动力学算法；采用改进后的赝动力学算法对分子动力学模拟产物进行了长期演化模拟；得到了短期演化构型的稳定性和长期演化产物以及相应的最低能量路径，估计了转变时间。最后，采用分子动力学模拟了位错与转变产物等缺陷的相互作用，得到了不同体系中位错－间隙棱柱环相互作用的机制并给出了转变产物对运动位错的阻力，发现六角金属钛中位错－孪晶界交互作用导致的裂纹形核等。此外，针对塑性变形，采用分子动力学模拟研究了体心立方金属钼中形变诱发的体心－面心－体心相变。经过三年的努力，系统地揭示了体心和六角金属材料中不同高度和取向的位错偶在不同温度下的转变原子过程、转变产物及其稳定性、转变产物对材料性能的影响等，为准确理解材料塑性变形中缺陷的产生和演化提供了基础理论信息，且部分结果已得到实验验证，较好地完成了研究任务。相关研究内容发表SCI期刊论文9篇，会议论文2篇，国际会议邀请报告2次，国际会议分组报告3次，墙报展示2次，国内会议分组报告2次，专著章节1章，分子动力学及长时间演化算法获软件著作权登记1项。