纯铜热型连铸过程三维微观组织模拟

采用宏观温度场模拟与微观组织模拟相耦合的方法，建立了宏微观统一的模型[直接差分（Direct Difference）-元胞自动控制（Cellular Automaton）模型，即CA-DD模型]，模拟研究了纯铜热型连铸凝固过程各工艺参数对固．液界面位置和晶粒淘汰的影响。结果表明：随着连铸速度的增大，固-液界面逐渐向型口外侧移动，晶粒淘汰趋势逐渐减弱。铸型温度对晶粒淘汰有一定的影响。模拟结果与试验结果符合较好。     

UO2烧结过程的相场模拟

利用相场模型对UO_2陶瓷粉末的烧结过程进行了模拟。在修正的相场模型中,不仅考虑了表面扩散、晶界扩散和晶格扩散3种各向异性的扩散机制对烧结组织形貌和烧结动力学的影响,而且考虑了不同陶瓷颗粒之间的界面能对烧结形貌的影响。基于实验条件和热力学物性参数,对UO_2陶瓷粉末在2000 K的烧结过程进行了模拟。模拟结果显示:初始形貌为圆形的陶瓷粉末有利于烧结过程的进行;烧结过程中存在大晶粒吞噬小晶粒的现象;晶界扩散机制是UO_2烧结过程中的主导机制;晶界能的改变导致晶界与相界之间的平衡二面角发生改变。在此基础上,模拟了多晶UO_2陶瓷粉末的烧结过程,模拟结果与实验结果吻合较好。     

低氧化铝浓度下铝电解质的结构变化模拟研究

电解铝生产过程的电解效率和有害气体排放量与氧化铝浓度密切相关。低氧化铝浓度下,阳极效应的发生会导致全氟化碳等环境有害气体的排放。因此,研究低氧化铝浓度下电解质中络合离子的种类和数量,对生产实践中的氧化铝浓度控制和参数调节进行分子层面的理论性指导是必要的。本文采用第一性原理分子动力学计算方法结合树状结构递归搜索算法,针对铝电解过程中低氧化铝浓度电解质中O、F元素在溶解态形态不明的问题,利用第一性原理分子动力学方法计算了熔盐体系微观离子结构。计算结果表明,F离子大部分以端氟F_t(Al-F)形式存在,而O离子全部以桥氧O_b(Al-O-Al)形式存在。络合离子以[AlF₅]^2-和大型铝氧氟配离子为主。     

等离子喷涂Sm_2Zr_2O_7热障涂层的热冲击性能数值模拟

利用ANSYS软件对2Cr13、1Cr13Ni9Ti基体等离子喷涂的Sm2Zr2O7热障涂层在热冲击过程中的热应力分布进行了数值模拟,并比较了不同基体对涂层热冲击性能的影响.结果表明,热冲击过程中在涂层表面均存在较大的径向冲击热应力,同时在表面陶瓷层/金属粘结层界面处存在较大的应力梯度,2Cr13基体涂层的热冲击性能优于1Cr13Ni9Ti基体涂层,有限元计算结果与试验结果吻合良好.     

TiB2-Cu复合材料热冲击损伤行为的数值模拟

利用等离子电弧加热器结合数值模拟，考察了燃烧合成制备的TiB2-Cu金属陶瓷复合材料热冲击损伤行为；通过热物理性能实验数据，模拟了材料在高温环境中非均匀热传输边界条件作用下瞬态温度场和热应力场的分布。结果表明：材料中心位置处于压应力，并且沿径向递减：当越过电弧加热区，压应力逐渐转变为拉应力，并且最大拉应力处于试样周边区域；在热冲击条件下的损伤行为是热裂纹产生于试样边缘，然后沿径向中心区域扩展：等离子电弧加热实验也证实了理论模型的合理性。     

bcc-Fe等温压缩下相变的微观模拟与分析

使用嵌入原子势分子动力学方法,对bcc-Fe在等温压缩(沿[001]晶向)下的相变(bcc至hcp)的微观过程进行了数值模拟.结果表明,当应力超过相变阈值,hcp相开始形核并沿(011)面长大成片状体系,同时系统进入超应力松弛状态;平均应力及hcp相质量分数在初始形核时发生突变,之后与体系的体积变化近似呈线性关系;纵向偏应力与相变质量分数在整个相变过程保持线性关系;混合相中,hcp相的平均势能高于bcc相.     

纳米多晶Ni微观结构与力学性能的分子动力学模拟

运用分子动力学技术,结合分析型嵌入原子方法(AEAM)模拟计算了平均晶粒尺寸为2.09～5.23 nm的纳米多晶Ni的微观结构和力学性能.从原子能量分布、径向分布函数(RDF)、局域晶序结构的角度分析了纳米多晶Ni的晶界和晶粒结构,发现晶界部分所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高,结构与普通微晶的相似,纳米晶体的结合能较普通晶体的低.单向拉伸模拟结果表明:纳米多晶Ni的强度与晶粒尺寸之间出现反常Hall-Petch关系;弹性模量的降低与纳米尺度结构特征相关.     

GeO2玻璃在不同压力下结构演变的分子动力学模拟

用定压子动力学模拟方法研究了ＧｅＯ２玻璃的压力诱导结构相变以及在张力下的行为。所用势能基于了化学从头计算法,模拟压力复盖范围为－１０－４６ＧＰａ。模拟得到的ＧｅＯ２玻璃的相变行为与实验结果符合良好。给出了等压热容、等温压缩率和张力状态下ＧｅＯ２玻璃结构的模拟结果。研究表明：高压下形成的致密相存在一个等容的亚稳极限,二次定律（ｐ－ｐｓ）－（Ｖ－Ｖｓ）＾２对该相基本成立。从模拟计算得到了３００Ｋ时压力     

焊接热影响区微观结构演化的蒙特卡罗计算机模拟方法

焊接热影响区是影响焊接性能的主要区域。焊接热影响区的晶粒长大常常导致焊接热影响区成为性能薄弱的环节，对焊接热影响区晶粒长大的研究一直是焊接接头的重要研究课题。焊接热影响区微观结构演化与诸多因素密切相关，是一个复杂的过程。运用适当的计算机方法进行模拟，完成对晶粒生长的完全预测，具有重要的意义，可以为优化焊接工艺参数，提高焊接质量提供依据。在此对在模拟焊接热影响区微观结构的演化时采用的基本方法进行综述。     

Al-Cu-Mg-Ag合金峰时效前微观组织演变及屈服强度数值模拟

求解了高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg-Ag合金峰值时效前微观结构演变及时效强化的预测模型。首先,建立影响Mg与Mg-Ag原子簇对W相析出过程中消耗Cu原子定量关系的关键参数表达式,即W析出相与基体的界面能模型。在假设合金为伪二元的前提下,基于热动力学模型和经典的形核、长大理论,建立了Al-Cu-Mg-Ag合金中Cu溶质原子在两种强化相中的定量分配模型,它可以预测两种强化粒子的半径和析出密度、溶质浓度随温度和时间的演变。最后求解了基于Orowan方程的强化模型。模型预测与实验结果吻合较好,证明了模型的可靠性     

脉冲电流下的热喷涂层组织演变

对A3钢基材表面的热喷涂层进行脉冲电流处理,通过显微镜观察涂层组织结构变化,结果表明,在脉冲电流处理下涂层组织结构发生了变化,涂层所固的层状结构趋于愈合。     

TC6钛合金的高温变形行为及组织演变

在Thermecmaster-Z型热加工模拟试验机上对TC6钛合金在温度800℃～1040℃,应变速率10s～50s、最大变形程度50%条件下的高温流动应力变化规律进行了研究,进而分析了变形参数对微观组织的影响。结果表明合适的工艺参数是变形温度为920℃～950℃,应变速率为1.0s-1～1×10-3s-1。在变形过程中,变形温度对α相体积分数有着显著影响,应变速率对α相体积分数影响不大,但对α相晶粒的形态有一定的影响。最后在分析变形温度、变形程度和应变速率对流动应力影响规律的基础上提出了1种本构关系模型,其拟合精度较高,为进行钛合金高温变形过程的数值模拟打下了较好的基础。     

Microstructure and Thermal Behavior of Thermal Barrier Coatings

Yttria stabilized zirconia thick coatings were thermally sprayed from two different feedstock powders. Coating characteristics such as density, crystalline phase composition, and microstructure were evaluated. The thermal expansion coefficient and thermal diffusivity were measured as a function of temperature up to 800 °C and analyzed in terms of the microstructural features. The ability of available models to relate the measured thermal properties to the microstructural features as characterized by readily available methods was assessed. The importance of pore shape and orientation on the thermal conductivity was evidenced. The thermal contact resistance between the substrate and the coating in these samples was estimated from the thermal diffusivity data, and found to change during cooling from 800 °C.     

激光冲击铝合金微结构演化及力学行为的分子动力学模拟

目的 揭示激光冲击铝合金的微结构演化过程及塑性变形机制,探究残余应力产生的机理,为激光冲击提升铝合金力学性能提供理论参考。方法 基于分子动力学模拟,采用活塞冲击法实现多晶铝合金(Al-Mg-Zn-Cu)在不同加载速度下的冲击强化。利用共邻分析法和位错提取法,研究铝合金的微结构演化过程、位错分布以及激光冲击影响铝合金力学性能的内在机理。结果 在冲击波加载阶段,当高速冲击波作用时,铝合金出现大量滑移系,产生高密度位错。在保载阶段,位错集中在晶界附近,导致多晶铝合金发生晶界塑性变形。在卸载阶段,不同类型位错之间进行了相互转化。铝合金两端晶粒和晶界的塑性变形,导致了残余压应力的产生。对完全卸载后的铝合金进行单轴拉伸模拟,发现0.7 km/s和1.0 km/s的冲击速度下,残余压应力抵消了部分拉伸应力,变形晶界附近产生新的位错,且晶界发生迁移和合并,导致极限应力分别提升15%和22%。结论 激光冲击对Al-Mg-Zn-Cu铝合金的微结构及力学性能影响显著,在高速冲击波作用下,铝合金两端发生剧烈的塑性变形,导致残余压应力的产生。单轴拉伸时,残余压应力抵消了部分拉伸应力,且铝合金晶粒内发生原子变形产生新的位错,同时晶界发生运动,最终使得极限应力增大,铝合金的力学性能得到提升。     

纳米晶柱热稳定性研究

以纳米晶柱作为表面量子点的模型,以不同截面尺寸的Al纳米晶柱为例,对其在不同温度下的弛豫过程进行了一系列分子动力学模拟,采用了Ercolessi等建立的原子镶嵌势计算原子间的相互作用力.结果表明:对于沿相互垂直的{110}和{211}面切割形成的近正方形截面晶柱.其截面厚度存在一热稳定性转变临界值.小于该值时纳米晶柱迅速失稳,发生熔融-重结晶的过程;大于该值时只发生缓慢的表面原子迁移重组.两种情况下形成的稳定结构均为由{111}和{100}面组成的正多面体纳米岛,只是两种面的相对面积比有所不同;该临界尺寸随温度升高而呈近线性增大.模拟结果还显示,纳米晶柱的高度对其稳定性没有明显影响.     

Cr-WC-Ni60热喷焊复合涂层的微观结构

采用热喷焊技术在Cr12MoV钢基体上喷涂了Cr—WC-Ni60复合涂层。通过XRD、SEM等方法观察分析了涂层的成分、显微组织结构．测定了沿层深方向的显微硬度分布。结果表明,涂层与基体的界面形成牢固的冶金结台,硬度比WC—Ni60复合涂层高0．5倍．界面两侧的显微硬度呈连续性分布。     

绝热材料的显微结构及绝热性能

着重分析了材料的显微结构对材料导热系数的影响:高孔隙率减弱固相传热作用从而使材料的导热系数减小,但是,高孔隙的也增大辐射传热作用.适当降低孔隙可减少辐射传热作用,这在高温时特别明显.尺寸<1 mm的孔隙中对流传热被制止,不再对传热起作用.在保持孔隙总量不变的前提下减小孔径可使孔隙数量增大,从而减小导热系数.小于100 nm的孔隙可以消除气体本身的热传导,从而极大地减小材料的导热系数.展示了几种不同显微结构的材料及其绝热性能.     

单晶Ge纳米薄膜面向热导率的分子动力学模拟

利用非平衡分子动力学模拟方法研究了单晶Ge薄膜的厚度以及温度对其面向热导率的影响规律。针对单晶Ge薄膜的结构特点和导热机制,采用Stillinger-Weber势能模型描述Ge粒子间的相互作用,并且建立面向稳态热传导模型。模拟结果显示,单晶Ge薄膜面向热导率具有明显尺寸效应,随薄膜厚度的增加而增大,随温度的升高而减小。与法向热导率的模拟结果进行比较,证明单晶Ge薄膜热导率具有各向异性的特点。     

单晶锗薄膜热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法研究平均温度为400 K,厚度d=2.8288～11.315 nm的单晶锗薄膜法向的热导率.模拟结果表明,单晶锗薄膜热导率随薄膜厚度的增加以接近线性的规律增加,其数值明显低于同等温度下体态锗的试验值.当薄膜厚度一定时,单晶锗薄膜的热导率随温度增加变化幅度很小,与同体态锗热导率随温度的变化规律相比表现出明显的尺寸效应.     

7YSZ热障涂层高温氧化过程中的微结构演变和阻抗谱分析

在大气环境中,测试7YSZ热障涂层抗1 000℃高温氧化性能,以模拟发动机叶片的巡航飞行高温氧化过程。采用交流阻抗技术并结合扫描电镜及X射线衍射系统研究了高温氧化过程中TGO层生长与YSZ层微结构演变。结果表明:随着氧化时间的增加,TGO层厚度增加符合抛物线规律,在中频阶段的阻抗谱响应愈加显著。YSZ熔融颗粒在较低测试温度下表现为容抗特征,随测试温度升高逐步表现为感抗特征。阻抗谱分析显示YSZ晶粒的电阻及电容随氧化时间增加,均呈一定幅度波动变化,高温氧化对熔融颗粒本身的电学特征影响不明显;随着氧化时间的增加,YSZ晶界电阻值不断增加,电容值不断下降,表明YSZ内微裂纹发生了生长和扩展,最终导致YSZ层的剥落失效。