Al-Cu合金中刃位错运动与纳米沉淀团簇相互作用分子动力学模拟 (2)
[3]
。由于它们在室温情况下具有高强度、良好的高温、超低温性能、焊接性能和加工
工艺性能，因此它们被广泛应用于航空、航天及其它民用工业领域[4]
。在航空工业，
Al-Cu 合金主要用于飞机蒙皮、隔框、长梁和桁条等部件的加工制造；在航天工业，
Al-Cu 合金是运载火箭和宇宙飞行器结构部件的重要结构部分;在民用工业，Al-Cu 合
金广泛应用于板材、型材、锻件、线材、棒材、管材、等的制造上[5]
。
虽然Al-Cu合金应用广泛，但其内部刃位错与纳米团簇之间相互作用机理并不是
很清晰。本课题主要运用分子动力学方法来模拟位错通过纳米团簇时的变化。
1.2 Al-Cu 合金强化机理
1.2.1 位错与障碍物之间相互作用
1.2.1.1 位错及其运动
位错是指晶体材料中一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列，又可以称为
差排。从几何角度看，位错是一种线缺陷，可以看成晶体中以滑移部分与未滑移部分
之间的分界线。位错可以分为刃位错、螺位错以及混合位错三种形式[6]
。
当位错受到外力影响且其上的有效应力达到一定临界值时，位错就会发生运动。
位错会受到滑移力和攀移力的作用，这两种现象分别称为位错滑移和位错攀移[7]
。
1.2.1.2 刃位错滑移
在刃位错滑移过程中，其运动方向始终与᷿氏矢量平行，与位错线垂直，因为刃
位错的滑移面是由᷿氏矢量与位错线构成的平面，所以刃位错的滑移仅限于在单一滑
移面上滑移。滑移过程如图 1.1 所示[8]
： (a)原始状态 (b)、(c)位错滑移中间阶段 (d)位错滑移出晶体表面并形成台阶
1.2.1.3螺位错滑移
对于螺型位错，由于位错线与᷿氏矢量平行，所以它不像刃型位错具有确定的滑
移面，而是通过在位错线上任意原子平面上滑移实现，因此螺位错滑移面是不确定的，
晶体因螺型位错而产生的滑移过程如图1.2 所示[8]
： (a)原始状态 (b)、(c) 位错滑移中间阶段 (d)位错移出晶体表面并形成台阶
1.2.1.4位错攀移
位错攀移是指由于刃位错在晶体内沿着垂直于滑移面的方向运动而形成的一种
扩散过程，即借助于质点或空位的一种扩散或运动。刃型位错向上或向下攀移一定的
原子间距，对应于正攀移和负攀移，如图 1.3 所示。由于位错攀移的特殊性，只有刃
位错才会攀移。
1.2.1.5位错和晶体缺陷相互作用
1)位错和溶质原子交互作用
在晶体中点缺陷会引起点阵畸变，所产生的应力场可与位错产生弹性的、化学的、
电学的、几何的四种交互作用，其中以弹性作用最重要。当应力场相互作用时，系统
应变能变化为 W=W3-(W1+W2),其中 W1、W2分别为位错和溶质原子单独存在时的
各自应变能，W3为交互作用后应变能。可得：
式中ε为错配度，W 为应变能。
为了使溶质原子以及位错的位置相对稳定， 总应变能降低，必有 W<0,且 � 越大，
交互作用越激烈。
若� > 0,表示溶入的溶质原子引起了晶体体积的膨胀，为使 W<0，必有�<�<2�,
即溶质原子位于刃位错下方。
若� < 0,表示溶质原子溶入后引起了晶体体积的收缩，为使 W<0,必有 0<�<�，
溶质原子位于刃位错上方的受压缩部分。我们通常把其称为 Cottrell 气团，这种气团