金属氧化物表面与界面的第一性原理热力学:一个研究实例

通过第一性原理计算研究,能够揭示和阐明材料相关表面与界面热力学性质,这是通向纳米和界面材料设计自由的重要一步,即以理想性能为目标,科学设计制备工艺参数,针对性地调控材料微观结构.以SnO2纳米颗粒表面和原位内氧化制备获得的Ag-SnO2界面计算研究为例,系统介绍这一计算研究策略.基于缺陷热力学模型,构建不同环境温度和氧分压条件下所对应的热力学平衡状态的表面和界面结构模型,计算评估其相应性能.通过一系列的第一性原理能量学计算,进一步构建出平衡状态的表面与界面相图.这些相图能够充分描述制备和服役过程中,工况对材料表面和界面微观结构和相应性能的影响和作用关系.介绍和讨论如何应用这些相图理解和科学设计相应材料的制备工艺.     

晶界非平衡偏聚研究的回顾与展望

溶质晶界非平衡偏聚现象已在大量合金系中发现,它对材料的性能,相转变、界面化学。界面结构及运动均有重要影响。本文综述了连续冷却与高速淬火等温过程静止晶界上溶质非平衡偏聚研究已获得的主要实验规律,分析评述了已有的主要理论模型,讨论了当前存在的问题。同时还评述了近年来移动界面溶质反常偏聚研究的实验研究和理论研究现状。     

面心立方金属材料晶界结构调控的研究现状及展望

沿晶失效行为是金属多晶材料中常见的一种现象,在不改变材料化学成分的基础上,利用基于退火孪晶的晶界工程技术对材料的晶界结构进行调控是实现材料晶界相关性能改善的有效途径。本文首先对典型退火孪晶的形貌和形成理论进行了阐述,然后对比分析了晶界特征分布优化的五种微观机制;其次,系统地归纳了晶界工程的主要实现途径及关键影响因素,并评述了不同随机晶界网络连通性表征方法的特点;最后总结了晶界工程技术在改善面心立方金属材料晶界相关性能方面的应用,同时指出了晶界工程研究领域面临的挑战,并展望了未来的研究方向。     

Cu-Zn-Al合金中马氏体穿晶界生长过程的动态观察

合金中的马氏体是晶体点阵切变的产物,对于多晶材料,马氏体通常在各个晶粒中形核长大,但不跨越晶界,然而在Cu-Zn-Al形状记忆合金的研究中,我们观察到了马氏体穿晶界生长现象。记忆合金中的马氏体相变具有热滞后和驱动力小等特点,称为热弹性马氏体相变,马氏体穿晶界生长可能也是这类相变的一个特征。该现象既涉及马氏体相变理论本身,又与晶界问题密切相关,应该成为一个有趣的研究课题。     

纳米金属材料的界面力学行为研究

将常规多晶材料的粗晶粒尺寸缩小到纳米尺度时,这些纳米晶体材料会呈现出与其对应的粗晶材料迥异的物理现象.与材料力学行为最相关的是强度及塑形变形机理这两个方面.考虑到晶界的变形与破坏可能是纳米晶体材料低塑性的根源,克服纳米晶体材料中强度与韧性之间存在的"熊掌和鱼不可兼得"的问题,也通常称为晶界工程.在众多的晶界中,孪晶界面被发现可同时保持材料的强度和韧性.本文主要就纳米金属材料中界面的力学行为做一个简要综述,包含晶界的强化力学机理以及新型孪晶界面的力学行为与揭示内在尺度效应的模型研究.     

多晶体材料的晶界强化模型研究

近几十年来,材料的细晶强化研究大量开展。在一般晶粒尺寸范围内,材料的强度随晶粒尺寸的变化是符合Hall-Petch关系的,但在纳米晶体材料中出现了偏离甚至反Hall-Petch关系的现象,因此Hall-Petch关系的使用具有一定的局限性。文章从塑性变形理论出发,建立了晶界强化数学模型,通过该模型,研究了晶粒大小、晶界厚度及晶界体积百分数、晶界能、弹性模量与多晶体材料强度的关系,发现除了晶粒大小及晶界厚度影响材料强度之外,弹性模量、晶界能越大,多晶体材料的强度越高。     

Cu-Bi合金偏析的原子模拟 Ⅱ.偏析引起的晶界结构转变

本文研究了Bi原子偏析于Cu的∑=17(530)/〔001〕四种对称倾转晶界引起的晶界结构变化.观察到了晶界因偏析而由一种结构转变成另一种结构,同时伴随着上、下两晶粒的相对位移及晶界的迁移.根据晶界结构单元模型及结构的多重性,提出了切变模型对这些现象进行了解释.     

Research Progresses on Thermal Stabilization of Metal Nanocrystalline Alloys

纳米晶体材料由于内部存在高的晶界分数,晶粒长大的驱动力较高,导致常温及高温下的热稳定性较差,给这类材料的加工和使用带来了障碍。本文从热力学与动力学两方面介绍了现阶段二元纳米晶合金热稳定性研究领域的主要进展,分别介绍了热力学稳定研究中的Trelewicz/Schuh（TS）模型、Wynblatt/Ku（WK）模型,Koch等人所用的方法,以及动力学稳定基本理论等主要模型,并对各模型进行了对比分析及客观总结。     

近几年马氏体相变研究的进展

综合整理了近年来马氏体相变试验研究的新成果.认为马氏体相变切变过程缺乏热力学可能性.指出马氏体在晶界、相界面、位错等缺陷处形核,并非共格切变过程.发现板条状马氏体、片状马氏体中均存在堆垛层错亚结构；高密度位错、孪晶、堆垛层错亚结构的形成并非切变所致；马氏体形貌的演化系应变能起主导作用,与切变无关；马氏体表面浮凸是相变比...     

金属纳米晶热稳定性和晶粒长大行为的研究

推导出了金属纳米晶界的基本热力学函数,模拟计算了金属纳米晶界的吉布斯自由能随晶界过剩体积和温度的变化规律。以铜纳米晶材料为例,应用纳米晶热力学模型预测了纳米晶组织的热稳定性及纳米晶粒长大行为。将纳米晶界的热力学函数引入元胞自动机仿真算法,利用计算机模拟研究了金属纳米晶的变温晶粒长大过程。实验证实铜纳米晶粒长大的动力学特征符合纳米晶热力学模型的计算预测结果。