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Analyzing the cross slip motion of screw dislocations at finite temperatures in body-centered-cubic metals; Molecular statics and dynamics studies

BCC金属における有限温度のらせん転位の交差すべり解析; 分子静力学および動力学による研究

鈴土 知明; 鬼塚 貴志*; 福元 謙一*

Suzudo, Tomoaki; Onitsuka, Takashi*; Fukumoto, Kenichi*

低温でのBCC金属の塑性は、らせん転位の移動に支配される。これらの金属結晶におけるらせん転位芯は非平面構造を有するため、その運動は複雑であり、予測不能である。例えば、密度汎関数理論(DFT)は{$ 110 }$面上のすべりを予測するが、高温における実際のすべり面は予測から乖離してれており、そのメカニズムは何十年もの間の謎だった。本研究ではらせん転位運動を追跡する一連の分子動力学シミュレーションを実施し、実験で得られている滑り面の移行再現することに成功した。我々は、次に、Peierls障壁を超えて転位が移動する現象を精査するアルゴリズムを考案し、すべり面移行のメカニズムを発見した。すなわち、転位芯構造の変化がなくても、転位線の大きなゆらぎによって交差すべりのキンクペアが核形成されることを確認した。

Plasticity of body-centered-cubic (BCC) metals at low temperatures is determined by screw dislocation kinetics. Because the core of screw dislocation in these metals has non-planar structure, its motion is complex and unpredictable. For example, although density functional theory (DFT) predicts slip on a { 110 } plane, the actual slip plane at elevated temperatures departs from the prediction, its mechanism having been a mystery for decades. Here we conduct a series of molecular dynamics simulations to track the screw dislocation motion and successfully reproduced the transition of the slip plane. We then devised an algorithm to scrutinize the activation of dislocation jump over the Peierls barrier and discovered the possible origin of this unexpected phenomenon, i.e., a large fluctuation leads to the kink-pair nucleation for the cross-slip jump without transition of dislocation core structure.

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