晶界位错发射与湮没过程的晶体相场模拟

采用晶体相场模型模拟位向差为7.70°的对称倾侧晶界位错在外加应力作用下的运动形式和演化过程;计算位错分离的激活能,并从能量变化角度分析位错运动过程中发生的分解、湮没和合并机制;分析该对称倾侧晶界在外力作用下晶界湮没过程不同特征阶段的差异。结果表明,晶界的湮没存在不同的特征阶段,主要阶段如下:位错的攀移,位错的分解与滑移,位错湮没;位错的再攀移与位错再分解、再湮没,或者出现了若干短暂的新阶段,如滑移位错与晶界上其他位错发生合并而被晶界吸收,或者滑移位错与另一滑移位错在晶内发生合并形成新位错组,或者滑移位错与另一滑移位错发生湮没消失。晶界上全位错的分解实质是产生了一对新的符号相反的柏氏矢量;分位错在晶界上的湮没或合并实质是分位错与晶界上的全位错形成的一对符号相反的柏氏矢量发生抵消;分位错与分位错在晶粒内部的湮没消失,其实质是2个分位错之间的2对符号完全相反的位错柏氏矢量相互抵消。     

双模晶体相场研究六方四方相变过程晶界和位错演化

对于晶粒,晶界,应力和位错的交互作用的深入理解有助于优化材料组织和提升材料性能。本文采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°,15°,30°,和 45°,晶粒取向差为6°的六方相体系做了系统研究。六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界,位错组沿六方晶界均匀分布,并有两种取向。正方相在位错组处形核,并且其取向取决于位错组取向。每一种倾侧角的体系种均形成两个取向正方相的变体。针对倾侧角为0 °,15°,30°,和 45°的六方相体系生成的四方相相变体之间的取向差分别为30°, 30°, 10°, 和5°。不同取向的正方相晶粒长大熟化的方式有差异,位于有利取向的晶粒将会优先生长占据主导地位。以共格晶界形式长大的晶粒,晶界处有位错组生成以松弛晶粒长大的应力集中。     

小角度非对称倾侧晶界形貌和变形的晶体相场模拟

采用双模晶体相场模型,计算了二维正方相相图,并以正方相为研究对象,在原子尺度上,模拟了小角度非对称倾侧晶界结构及变形过程。结果表明,小角度非对称倾侧晶界由刃型位错和刃型位错组构成;在外加应力作用下,位错先于位错组滑移并进行短程的攀移,最后合并,位错组分离为滑移方向相反的2个刃型位错并最终与其它晶界位错组分离出的异号刃型位错合并,完成晶粒的合并。     

晶体相场模拟晶界预熔及熔化

利用晶体相场模拟晶界的预熔以及熔化现象,研究不同取向差角度时,预熔及熔化的微观组织形貌,并且采用过剩质量方法定量计算预熔及熔化时晶界处液相薄膜宽度.研究表明,在接近熔点时,晶界处预先出现一层液相薄膜,液相膜的形态与晶界处的取向差角度有关.当取向差角为大角晶界时,液相膜沿晶界均匀稳定分布;当取向差角为小角晶界时,若干由液相区包围的独立位错均匀分布在晶界处,随着温度逐渐接近熔点,晶界处发生结构转变:独立位错两两合并,原来小的液相区也相应合并成为较大的"液相池".这种结构转变不仅出现在预熔时,而且发生在过热状态下,在液相宽度曲线图上表现为宽度"跳跃"性增大.同时,晶体相场模型计算得到的临界润湿角θ_c为12°,较Read-Shockley理论所得的数值更接近实际结果.     

晶体相场法模拟晶界预熔区液相熔池的演化

预熔是指晶体在低于熔点温度时,晶界处预先出现类似液体而块体仍为晶体状的现象。采用晶体相场法研究原子密度对晶界预熔的影响。结果表明:晶界处液相熔池的早期演化主要涉及4个形态特征:固-固状态→小液滴状态→较大的液相熔池→均质熔融层。通过对比不同平均原子密度下的微观结构和能量变化,表明平均原子密度对液相池的形态特征敏感。二维与三维模拟结果表明,平均原子密度的降低能抑制刃型位错聚集区域中原子的结晶相特征,这有助于液相熔池的形成。从热力学的角度验证平均原子密度与液相熔池宽度之间的关系,在一定程度上为后续施加高温应变提供前提条件。     

气孔与晶界相互作用的相场模拟

对现有的气孔与晶界相互作用的相场模型进行改进,提出了新形式的自由能密度函数,并采用了张量形式的扩散系数。分析了相场模型中唯象参数的选择依据,并讨论了模型中界面能和界面宽度等物理参数的影响因素。气孔和晶界相互作用的相场模拟结果表明:晶界的曲率是晶界移动的动力,而气孔是晶界移动的阻力;当气孔施加的最大阻力大于等于晶界移动的动力时,气孔会随晶界一起运动;而当气孔施加的最大阻力小于晶界移动的动力时,气孔与晶界分离。若气孔与晶界未发生分离,体系的演化将由晶界主导转变为气孔主导,演化速率显著下降。含气孔UO₂多晶体系的晶粒生长的相场模拟结果表明:气孔率越大,晶粒生长速率越慢;UO₂平均晶粒直径与时间成幂函数关系,幂指数随气孔率的增大而增大。     

立方晶体相界面位错的计算机模拟

介绍描述了O点阵模型模拟位错结构的基本原理和基本方法.以Bollmann提出的O点阵理论为基础,采用科学计算软件matlab模拟了2个bcc(或fcc)晶体相界面的位错网络,尝试了单个至多个O胞的模拟,成功模拟出了具有cube-on-cube 取向关系的2个bcc晶体任意取向相界面上的位错网络.     

晶界扩散对Ti-6Al-4V中α 相溶解的相场模拟

晶界作为溶质的快速扩散通道,在扩散控制的相变过程中起着重要作用。为了探索晶界扩散作用下的相变过程,本文将晶界扩散耦合到定量的扩散控制相场模型,研究了Ti-6Al-4V合金多晶体系中的晶界数量、α相的空间分布和尺寸分布等对α相溶解的影响。研究结果表明：晶界是溶质扩散的快速通道,晶界边数越多,α相溶解速度越快,即当α相位于三岔点时,α相溶解最快。而α相位于晶界上和α相均匀分布基体中时,两种情况下的α相溶解速度差别较小。与二维条件下α相溶解速度相比,三维条件下的晶界扩散对α相溶解的影响更加显著;当相变以溶质的体扩散为主时,α相的空间分布是影响α 相溶解的主要因素之一;但当相变以溶质的晶界扩散为主时,除了均匀尺寸分布外,其它尺寸分布对α 相溶解影响不显著。     

凝固微观组织晶体相场模型的研究进展

晶体相场模型(phase field crystal model)是一种模拟凝固微观组织的新方法,对这一模型及其应用的研究是近年来国际上的研究热点问题.论述了晶体相场模型原理及其在凝固微观组织数值模拟中的研究现状,并且指明了进一步的研究方向.     

晶体相场法模拟二元合金的生长过程

采用二元合金晶体相场模型,耦合原子密度场和浓度场,在扩散时间尺度上模拟过冷熔体的形核,生长及粗化过程。研究表明:增加冷却速率,模拟区域内晶核富集,快速长大;一定范围内,随着冷却速率增大,晶粒尺寸减小,组织细化;晶粒长大过程中,晶界主要依靠位错的迁移或攀移进行运动。二元合金模拟还可以应用到枝晶凝固、外延生长,调幅分解中,前景广阔。     

应力诱发双位错组亚晶界湮没的晶体相场模拟

采用晶体相场模型模拟了对称倾侧亚晶界结构及其在应力作用下的湮没机制,并从位错运动和能量角度对湮没机制进行分析,此外还分别讨论了温度、位向差和应力方向对亚晶界湮没的影响.研究表明,亚晶界是由呈一定角度的双位错组垂直分布组成的;亚晶界的湮没过程包括4个阶段:位错的攀移,位错的分离与攀滑移,位错的再次攀移和再次分离、攀滑移;温度的降低阻碍亚晶界的湮没;位向差小的亚晶界先于位向差大的亚晶界湮没,且湮没速度较快;亚晶界上应力方向的改变会引起湮没过程中位错运动方向发生改变,从而影响亚晶界的湮没,压应力有利于亚晶界的湮没.     

晶界三叉处位错塞积的结构转变与能量分析

提出超细晶材料的三叉晶界处晶界位错塞积的结构转变能量模型.运用该能量模型,计算体系的晶界位错塞积能量,分析塞积头位错的结构转变的临界几何条件和力学条件,讨论塞积位错的数密度和三叉晶界处的二个分解位错Burgers矢量之间的角度对头位错转变模式的影响.结果表明,当晶界位错在三叉晶界处塞积,只要这二个位错Burgers矢量...     

晶体相场方法模拟高温应变作用的预熔化晶界的位错运动

采用晶体相场模型,分别模拟了小角对称倾侧双晶体系在高温接近熔点温度和达到固-液共存温度时,在外加应变作用下的小角度晶界以及位错的湮没过程.研究表明,没有加外应变时,当体系接近熔点温度情况下,晶界处的晶格位错周围出现预熔化现象,此时预熔化区域内的位错结构并没有发生改变;当温度达到高温固-液共存温度时,预熔化区域明显增大.经高温预熔化后,再施加外应变作用,这时,已存在预熔化的晶界位错发生滑移运动,然后出现位错相遇湮没,晶界消失,同时,伴随的预熔化区域也消失.在预熔化温度情况下的晶界位错的湮没规律基本相同.预熔化温度越接近熔点温度,位错缺陷周围预熔化区域出现晶格原子软化现象越明显,降低了位错周围原子之间的结合强度.这时,在施加外应变作用下,晶格原子对位错滑移运动的阻力降低,位错运动得更快.对于达到高温固-液共存温度情况,此时施加外加应变后,原预熔化区域会出现应变诱发更大面积的预熔化区域.观察到外加应变诱发预熔化区域变化过程中,出现了位错成对地增殖,并发生位错对的旋转和湮没等相互作用;同时,外加应变诱发的预熔化区域的形状随预熔化区内的位错的相互作用而发生变化,出现了预熔化区域相向扩展、连通,然后又分解、分离;尽管这时的预熔化区域形状随外应变作用在不断变化,但此时的预熔化区并不会出现合并消失现象,与较低的预熔化温度的位错运动情况完全不同.     

基于晶体相场模型二元合金凝固过程的晶粒形貌模拟

基于相场模型研究了二元合金在不同过冷速率下的晶粒形貌演化。结果表明,形核数量随着冷却速率的提高而不断提高,晶粒尺寸随着冷却速率的增加而降低。当冷却速率达到某个极限值时,晶界迁移速率明显变慢,凝固组织粗化现象受到抑制。     

计算机模拟晶界位向对双晶体循环形变行为的影响

在实验基础上,用晶体细观力学方法模拟研究了纯铝双晶体在应力轴与晶界面分别垂直或平行时的循环形变过程。计算显示,在这两种加载方式下晶界区微观应力应变分布均有显著的变化,而它们各自晶界区微观应力应变分布又有明显不同,这和实验发现晶界区的形变损伤比晶内其它区域更大,以及这两种加载方式下晶界及晶界区形变损伤有很大差异的结果是一致的。利用计算得到的瞬时滑移系开动及分布情形对有关实验观测结果进行分析,能够满意     

Mo粉末烧结过程的相场模拟

采用相场法模拟了表面扩散和晶界扩散机制共同作用下的四球模型和五球模型中Mo粉末压坯微粒间烧结颈长大以及孔隙的演化过程。数值模拟引入了Cahn-Hillard(CH)方程控制的相对密度场和Ginzburg-Laudau(TDGL)方程控制的长程取向场参量,并采用半隐傅立叶谱方法对上述方程进行了求解。模拟结果表明,表面扩散是Mo粉末烧结过程的主导扩散机制;压坯致密度越高,烧结完成的时间越短。     

合金微结构的微观相场法模拟

基于相场法理论,详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面,微观相场动力学模型具有的独特优越性:该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制;获得清晰、直观的原子显微形貌;描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程,并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时,阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

合金微结构的微观相场法模拟

摘 基于相场法理论，详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面，微观相场动力学模型具有的独特优越性：该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制：获得清晰、直观的原子显微形貌；描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程，并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时，阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

晶粒组元沿晶界旋转的铜双晶在循环变形中的滑移形貌与位错组态

对晶粒组元因晶体生长时沿晶界发生旋转的铜双晶体进行了恒定塑性应变幅下的循环形变研究,塑性应变幅为1.5X10-3通过扫描电子显微镜-电子通道衬度技术（SEM-ECC）对滑移形貌和位错组态的演化进行了观察,发现由于晶粒内部的几何效应使沿晶界的位错组态随着晶粒的旋转方向的变化也相应发生变化,逐渐表现为由滑移带与晶界的相互作用过渡到形变带与晶界的相互作用.形变带Ⅱ（DB Ⅱ）对于主滑移有着明显的阻碍作用.晶界无位错区（DFZ）伴随着形变带Ⅱ在晶界的出现而产生.胞状结构的形成是由于次滑移系的开动使形变带Ⅱ中的位错墙结构先破坏而后形成.