密排六方钛中基面堆垛层错导致的孪晶界滑移、孪生台阶及孪晶生长:第一性原理研究

基于第一性原理计算研究密排六方结构钛中{101n}共格孪晶界和滑移孪晶界的结构和能量,探讨滑移孪晶界的形成机理及其与孪晶生长的关系.结果表明,共格孪晶界与基面堆垛层错的相互作用可使共格孪晶界产生滑移,从而形成对应的滑移孪晶界.这种滑移最终能在孪晶界处形成一对单层孪生台阶,并恢复共格孪晶界的结构.孪生台阶的塞积可导致高分...     

镁合金中■两种孪晶界面的可动性比较

形变孪生是镁合金的主要塑性变形方式之一,镁合金的两种主要孪晶为■孪晶,两种常见孪晶在形貌上存在较大的差异。本文采用分子动力学模拟与微观组织实验观察相结合的手段,研究了两种孪晶压缩过程的应力应变曲线、微观结构以及界面的迁移方式,对比分析两种孪晶界面的可动性。并且从原子运动以及位错滑移的角度,解释两者存在差异的原因。结果表明:■孪晶界迁移所需的应力较■孪晶界迁移所需的应力低,并且■孪晶界的迁移呈现"弓形"方式,而■孪晶界以"台阶"的方式进行迁移。■孪晶界的迁移是B/P面相互转变的过程,因而界面更容易大范围、高速率地迁移;而透射电镜(TEM)观察和模拟结果均显示,■孪晶界面上存在周期性的界面位错,阻碍了孪晶界的移动,并且需有基面位错滑移至孪晶界面处堆积,为■孪晶界的迁移提供能量。     

基于原子尺度模拟研究HCP镁中的一次及二次孪生模式

通过分子动力学模拟（MD）,研究在HCP镁中的一个对称倾斜晶界与基面滑移的位错相互作用而激发的变形孪晶,也就是孪晶形核与长大的过程（或者是孪晶界迁移,TBM）。{1^-1^-21}孪晶在该过程中是最易被激发的孪生模式。一旦这样的孪晶形成了,它们就会不断长大。该种孪晶界迁移是由单纯的原子位置局域调整造成的。在模拟过程中同时也产生了二次孪晶{1^-1^-22}。该二次孪晶模型的孪晶形核与长大需要克服的能垒与{1^-1^-21}孪晶不同。同时,二次孪晶的孪晶界迁移过程是通过孪晶界上的锥形滑移而激发的。     

密排六方金属{1012}形变孪晶长大机制的研究进展

利用{1012}孪晶结构调控镁合金织构和组织,可作为开辟一条低成本生产高性能镁合金的路径。探索{1012}形变孪生新的特点和规律,揭示{1012}孪生变形的物理本质是利用{1012}孪生变形调整镁合金组织和性能的关键。对国内外学者应用孪生晶体学理论、分子动力学计算机模拟和透射电镜等研究手段探索{1012}形变孪晶长大机制进行综述。重点对{1012}孪晶界面精细结构以及{1012}孪晶长大机制(孪生位错剪切机制和曳步机制)进行总结与评述。针对目前国内外学者在{1012}孪生机制中存在的重大争议,有必要丰富实验研究及计算机模拟结果,进一步探索{1012}孪生长大机制,从而为利用{1012}孪晶调控镁合金力学性能的研究奠定理论基础。     

晶粒尺寸和孪晶界间距对纳米多晶铝合金塑性变形影响的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,分别研究了晶粒尺寸和孪晶密度对纳米多晶铝合金塑性变形的影响。模拟结果表明,弛豫后的位错密度对纳米多晶Al的微观结构演变和逆Hall-Petch关系产生了重要影响。变形受晶粒大小限制,在细晶中可形成层错四面体和复杂层错结构,从而激活了晶界的辅助变形。当孪晶界间距（TBS）较大时,Shockley分位错在晶界处形核并增殖。然而,随着TBS的减小,孪晶界成为Shockley分位错的来源。孪晶界上大量的分位错形核会导致孪晶界迁移甚至消失。在塑性变形过程中还观察到形变纳米孪晶。研究结果为开发具有可调节力学性能的先进纳米多晶Al提供了理论基础。     

第一性原理计算在铜合金研究中的应用进展

第一性原理计算(DFT)在生物、化工、冶金、材料设计等多个学科与领域都发挥着重要的作用。本文总结了利用第一性原理计算在研究铜合金中合金相的稳定性、力学性质以及电子结构等方面的应用,并对第一性原理计算在铜合金中研究应用的现状与目前仍存在的问题进行了阐述,同时分析了第一性原理计算在今后铜合金研究中的应用方向。     

孪晶界对AZ31镁合金静态再结晶的影响

对铸态AZ31镁合金进行不同变形量的锻造或压缩室温变形,然后经过不同温度和时间的退火保温,研究孪晶界对合金静态再结晶过程的影响。结果表明,锻造产生的孪晶较短且取向错乱,而压缩变形产生的孪晶则较狭长,同取向的孪晶大量聚集、平行排列,这与锻造和压缩两种变形方式的形变速率不同有关。退火保温实验结果表明,在相同条件下,锻造变形镁合金孪晶处比压缩变形镁合金孪晶处更易发生再结晶。研究不同孪晶处的形核方式,提出低温"孪晶界凸出形核"机理,发现某些孪晶变体即二次孪晶处并不是优先形核的位置,这与经典的孪生形核理论的观点不同。     

孪晶距对纳米钨力学性能影响的分子动力学模拟EI北大核心CSCD

为了研究孪晶间距的大小对纳米钨力学性能及变形机理的影响,利用分子动力学对不同孪晶间距的孪晶钨进行了单轴拉伸模拟。使用近邻列表技术(CNA)和位错分析方法(DXA)对拉伸过程中纳米钨的变形失效过程和微结构演化进行了表征分析,从而揭示孪晶间距对纳米钨力学性能影响微观机理。结果表明:孪晶钨变形过程中出现的相变、孪晶界的变形以及去孪晶化的现象会改变孪晶钨中裂纹的扩展方式,提高孪晶界的变形能力;而随着孪晶间距的减小即孪晶密度的增加,可变形的孪晶界增多,导致纳米孪晶钨的断裂应变增加。由于孪晶界中存在能量较高的相互作用的特殊三原子结构使纳米钨中更容易出现晶体缺陷,缺陷会在拉伸载荷作用下快速形成裂纹,导致晶体断裂失效,严重降低了纳米钨的屈服强度。此外,孪晶界的存在显著降低了几何必须位错的数量同时阻碍了位错的滑移运动,位错难以发射和运动,从而导致塑性变差。     

利用分子动力学研究梯度纳米孪晶Cu的微观变形机理

提出了一种新的纳米结构材料即梯度纳米孪晶界结构,并利用分子动力学方法计算了梯度纳米孪晶Cu的单轴拉伸和压痕的变形过程,分析了纳米孪晶界分布对位错机制的影响.结果表明,梯度纳米孪晶界主导的塑性变形可分为2类,不全位错主导了较厚的孪晶片层的塑性变形,较细孪晶片层的塑性变形由全位错主导.此外,提高孪晶界密度可以有效改善材料的强度和硬度.     

基于第一性原理和电负性理论研究稀土Ce元素对镁合金的强化机制

随着稀土镁合金商业化应用的增加，利用高丰度稀土元素制备更低成本、更高性能的镁合金具有显著优势，但稀土元素的添加完全改变了基体镁合金的合金化顺序，因此，深入研究Ce元素对镁合金的强化机理很有必要。本文通过第一性原理计算可能存在的Mg-Ce、Al-Ce、Mg-Al强化相的热力学稳定性，采用SEM、XRD、EDS等实验手段分析所制备镁合金样品的物相组成，进而验证第一性原理计算结果，并推导关键稀土中间相的组成及析出顺序。接着，基于错配度理论探讨优先析出的第二相能否成为初生α-Mg的形核核心，揭示Ce元素对镁合金的变质机理；然后以温度为维度，借助Al-Ce、Mg-Al二元相图和Al-Ce-Mn三元相图将不同温度阶段的合金化反应与电负性理论相关联，从而简化多元合金体系中的复杂合金化问题，最终阐明Ce元素对镁合金强化作用机理。研究结果表明，Ce元素添加后将形成大量沿晶界或贯穿晶粒分布的针状或棒状Al11Ce3和Al10Ce2Mn7相，但优先析出的Al11Ce3、Al10Ce2Mn7相并不能作为初生α-Mg的形核核心，晶粒细化机制为晶界位置的第二相阻碍晶粒长大；拉伸实验结果表明，通过调节Ce元素的添加量形成适量Al-Ce相与Mg-Al相混合的结构有利于提高镁合金室温、高温力学性能。     

挤压态镁合金板材复合变形过程中的孪晶组织演变规律

采用扫描电镜(SEM)研究了挤压态镁合金压痕—压平复合变形过程中动态再结晶及孪晶组织演变规律。结果表明:在镁合金压痕—压平复合变形过程中,随着复合变形系数和变形温度的增加,AZ31镁合金的孪晶数量逐渐增多,动态再结晶程度增大,晶粒细化效果明显。动态再结晶的主要形核之处是原始晶粒的晶界处,动态再结晶新晶粒产生于原始晶粒的晶界处,且形状为典型的项链状结构,孪晶界也是动态再结晶的有利形核位置。在压痕-压平复合变形过程中,较低的变形温度和较大的变形程度有利于孪晶组织的形成,且孪晶组织容易出现在大晶粒内部。     

多级纳米孪晶金属在孪晶界处的堆积位错密度的本构模型和裂纹成核的准则

通过特征体积单元假定孪晶界间距是服从对数分布,同时定量的去讨论在初级孪晶界与晶界交界处和初级孪晶界与次级孪晶界交界处的裂纹成核的机理.基于此研究方向,提出一个自相关性本构模型去定量的描述裂纹成核的准则.结果表明:位错堆积能会随着孪晶界厚度的增大而增大.而且,计算得到的位错堆积能与经验值存在着差异.     

孪晶密度和温度对纳米孪晶钛力学性能的影响

采用分子动力学方法模拟不同孪晶密度和不同温度下纳米孪晶钛单轴拉伸力学行为。模拟结果表明：室温下随着孪晶密度的降低,纳米孪晶钛的屈服强度出现先提升后降低的现象,材料存在临界孪晶密度。当孪晶密度小于临界孪晶密度时,孪晶界对晶粒的细化作用导致材料的强度提升。当孪晶密度大于临界孪晶密度时,孪晶界、晶界和两者交汇处的位错成核增殖成为材料变形的主导因素;且当孪晶密度远离临界值时,孪晶间隔变小、位错源增多,位错成核与增殖加剧,材料的强度降低。相同孪晶密度条件下,晶粒尺寸的减小会减少晶粒内孪晶界的数量,进而减少孪晶和晶界交汇处位错源的生成,增强了屈服强度。此外,温度的变化会影响原子的活跃程度和晶格的变形机制。随着温度的升高,原子间结合力下降,晶界附近原子结构无序化和HCP-BCC相变程度加剧引起材料的弹性模量、屈服强度下降,同时位错形核与运动的加剧影响了材料的塑性变形。     

镍基合金表面五重孪晶形成的分子动力学模拟

五重孪晶结构能够改善合金的表面性能,而关于合金五重孪晶化表面的研究较少报道。基于分子动力学模拟和纳米压痕方法,采用嵌入原子势函数(EAM)和等温等压系综(NPT),使用半径为14 nm的圆柱压头以40 m/s的压痕速度沿着[112]晶向对单晶镍基合金持续压痕,采用共领域分析法对合金在应力诱导作用下的变形行为进行了分析。结果表明,非共格孪晶界形成于四个不同{111}滑移面交叉中心附近。交叉中心处白色高能原子发射不全位错,堆垛层错产生。随着不全位错持续发射,孪晶得以形核、生长,孪晶界相继形成,最终五重孪晶形成于合金表面。合金表面中五重孪晶的形成并非源于晶界连续不断发射不全位错,而是与压痕过程中合金表面能量增加以及非共格孪晶界息息相关。     

分子动力学模拟在复合材料界面研究中的进展

对分子动力学和第一性原理的基本理论进行了简介,综述了近年来国内外使用经典分子动力学和第一性原理分子动力学方法对复合材料界面进行模拟研究的进展。分别对界面原子构型、电子结构、相互作用能、应力和载荷传递、界面力学性能参数,以及其变形失效等方面的模拟计算进行了概述,归纳分析了分子动力学模拟所能解决的各类界面问题,并对其应用和发展方向进行了展望。     

基于滑移与孪生镁合金晶体塑性本构模型及微结构关联分析

为了揭示镁合金晶体微结构与孪生变形之间的关联性,采用伪滑移模式描述孪生变形,建立包含滑移与孪生变形机制的晶体塑性本构关系,推导以剪切应变率作为自变量的本构方程牛顿-拉普森迭代式。采用基于体素方法建立的多晶三维微结构有限元模型,对挤压镁合金材料沿挤压方向加载的单轴拉伸和压缩变形行为进行模拟。模拟结果表明,单轴加载下模拟与试验的材料宏观硬化行为基本吻合,及压缩变形的模拟织构演化与试验织构演化也基本趋同。对多晶体内基本物理量的统计分析表明,该模型能够展现多晶内的应力应变、孪晶体分数在空间的不均匀分布特性,而孪晶体分数分布与晶粒尺寸、晶界位向角及晶界倾角等微结构之间缺乏确切的关联性,表明非均匀微结构所导致的独特应力非均匀状态并不是出现孪生变形与微结构强关联性的原因。     

磁控溅射薄膜生长的模拟方法

磁控溅射技术制备的薄膜膜层均匀,内部无气孔,密度高,与衬底的附着性良好,薄膜质量高,被广泛应用于科学研究和工业生产中,且适合应用计算机模拟来研究溅射过程和溅射结果,这样既可以检验模拟的准确性,又可以对实验现象的内在意义进行挖掘,为后续实验提供参考信息。在介绍磁控溅射薄膜生长常用模拟方法原理的基础上,详细讨论了第一性原理(First-principles calculations)、分子动力学(Molecular dynamics,MD)和蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)等3种方法的适用条件和模拟结果,从3种方法适合解决的问题、相互之间的区别等方面,对国内外最新的研究进展进行总结与分析。发现3种方法在精确度和计算量上依次递减,在可模拟的时间和空间尺度上依次递增,在模拟对象上,第一性原理方法由于其高度的精确性被广泛应用于对薄膜本身的性质或对粒子间的运动等方面,且模拟结果可以是具体数值,从而对实验进行更加精确的预测和指导,分子动力学方法多用于模拟薄膜生长过程和原子间行为等方面,蒙特卡洛方法相较于前两者,用途更加广泛,可模拟的对象除了薄膜本身,也可以对电磁场等进行模拟。最后,对磁控溅射薄膜生长模拟未来的研究方向进行了展望。     

AZ91镁合金的形变热处理

用金相显微镜、扫描电镜等分析手段及力学性能测试,研究了形变热处理对AZ91合金组织及力学性能的影响。结果表明,AZ91镁合金拉伸变形主要是以孪生的方式进行。拉伸变形后的合金经时效处理时,β-Mg17Al12首先在孪晶内及孪晶界处弥散析出,随着时效时间的延长,析出物的量不断增加。当孪晶内析出物的量达到一定值时,在晶界处出现了非连续的片层状β-Mg17Al12相,晶内也出现了少量的连续析出的β-Mg17Al12相。未发生变形的AZ91镁合金时效处理时,β-Mg17Al12相仅在晶界处以非连续的方式呈片层状形式析出。AZ91镁合金变形试样经时效处理后,其室温抗拉强度均高于经过相同工艺时效处理后的未变形试样,且当时效时间为12 h时达到最大值。     

温度对纳米孪晶Al强化和软化行为的影响

纳米晶金属的超高强度和良好拉伸延展性的结合可以通过引入孪晶来实现，但温度对孪晶间距降低过程的强化-软化转变仍缺乏系统研究。本文采用分子动力学模拟方法考察了温度对纳米孪晶Al强化和软化行为的影响。结果表明：纳米孪晶Al变形过程存在临界温度T_s，当加载温度高于临界温度T_s时，随着孪晶间距的减少，纳米孪晶Al的强度呈现强化-软化转变的现象；当加载温度低于临界温度T_s时，呈现持续强化现象；而且随着晶粒尺寸的增大，发生持续强化的临界温度T_s升高。进一步研究表明，纳米孪晶Al在高温下(T>T_s)下的强化-软化转变机理与纳米孪晶Cu一致，是由不同的位错发射机制引起，位错由倾斜于孪晶界方向发射逐渐转变为平行于孪晶界方向发射；在低温下(Ts)的变形过程中，只有极少位错被激发，此时的持续强化行为由应变局域化主导，不同于纳米孪晶Cu在低温下的位错机制。     

孪晶界对TiAl合金超音速微粒轰击影响的分子动力学模拟

TiAl合金因具有低密度、高比强度、高温抗氧化性等性能成为航空航天等领域最具潜力的高温轻质结构材料之一，但其具有本质脆性，在成型过程中易引入微裂纹、孔洞等缺陷，严重影响了其力学性能。超音速微粒轰击是新型表面改性技术之一，利用该技术研究了不同孪晶界数量和位置对TiAl合金力学性能和变形行为的影响。结果表明：不同孪晶界数量模型的屈服强度随孪晶界数量的增大而降低；孪晶界位置距模型上表面越近，材料屈服强度越低；随着孪晶界数量的增加，孪晶对位错运动的阻碍越明显，模型轰击后表面的塑性变形程度也越大，材料更易发生断裂；孪晶距离材料上表面越近，孪晶对位错生长的抑制越明显，进而影响材料强度；模型变形失效是位错与位错、位错与孪晶及其它缺陷共同作用的结果。