金屬納米晶熱穩(wěn)定性的定量化可視化仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、納米材料具備一系列優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能特性,然而,一旦納米晶組織發(fā)生失穩(wěn)而使晶粒長(zhǎng)大為亞微米甚至微米級(jí)的粗晶組織,納米材料的特殊性能將顯著減弱或消失。因此,研究納米晶材料的穩(wěn)定性和納米晶粒長(zhǎng)大特性對(duì)保持納米尺度顯微組織及其優(yōu)異性能具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。 本文從計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面系統(tǒng)研究了納米晶粒組織演變及納米晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)規(guī)律。 根據(jù)納米多晶體材料的結(jié)構(gòu)特性,將納米晶塊體按照納米晶界和晶內(nèi)的空間結(jié)構(gòu),匹配到

2、構(gòu)成模擬區(qū)域的大量原子尺度的元胞自動(dòng)機(jī)(CA)單位元胞上,由此實(shí)現(xiàn)納米多晶體材料的模型化與可視化。將本研究組建立的納米晶熱力學(xué)理論模型中的函數(shù)關(guān)系引入CA仿真算法,賦予各不同性質(zhì)的元胞以特定的熱力學(xué)能量狀態(tài)。由上述處理建立了金屬納米晶熱力學(xué)/CA算法相耦合的應(yīng)用實(shí)參數(shù)的定量化、可視化計(jì)算機(jī)仿真模型,以之模擬研究納米晶材料的熱穩(wěn)定性及其演變規(guī)律。 利用金屬納米晶熱力學(xué)/CA算法耦合模型模擬研究了金屬Co納米晶等溫和變溫晶粒長(zhǎng)大過程

3、。直觀地顯現(xiàn)了納米晶顯微組織的演變行為尤其是晶界的局部遷移過程,并獲得了納米晶界原子分?jǐn)?shù)隨晶粒尺寸的變化關(guān)系。等溫晶粒長(zhǎng)大模擬結(jié)果表明納米晶粒長(zhǎng)大指數(shù)n不是常數(shù)(傳統(tǒng)粗晶材料的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)為常數(shù)n=2),而是隨著納米晶粒長(zhǎng)大過程的進(jìn)行逐漸增大。Co納米晶變溫晶粒長(zhǎng)大的模擬研究表明,在一定的中間溫度區(qū)域,納米晶具有突發(fā)的快速長(zhǎng)大速率,而在較低和較高溫度區(qū)間晶粒長(zhǎng)大速率均較緩。 利用高能球磨結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備出了Cu納米晶塊

4、體材料,并設(shè)計(jì)了系列實(shí)驗(yàn)研究Cu納米晶塊體的晶粒長(zhǎng)大行為。 首先,在全面分析高能球磨工藝各影響因素的基礎(chǔ)上,確定了最佳球磨參數(shù),制備出了平均晶粒尺寸約30nm的金屬Cu納米晶粉末。利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)將球磨粉末在157KN(500MPa)軸向壓力、350℃燒結(jié)溫度下制備獲得了致密的Cu納米晶塊體材料。對(duì)制備的Cu納米晶塊體進(jìn)行變溫晶粒長(zhǎng)大的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在一個(gè)中間溫度區(qū)間(300℃～500℃)納米晶粒發(fā)生不連續(xù)快速長(zhǎng)大。

5、 結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡和透射電鏡的觀測(cè)與分析,確定制備的Cu納米晶塊體發(fā)生不連續(xù)晶粒長(zhǎng)大的臨界溫度約為400℃。基于本研究組在納米材料熱力學(xué)方面的已有工作,分析了納米晶界過剩自由能對(duì)納米晶粒組織熱穩(wěn)定性的影響,指出了納米晶粒尺寸和溫度等因素可能導(dǎo)致金屬納米晶材料發(fā)生不連續(xù)快速晶粒長(zhǎng)大的內(nèi)在機(jī)制。本文所建立的金屬納米晶熱力學(xué)/CA算法耦合模型,不僅可以可視化地顯示納米晶組織的演變,而且可以定量化地預(yù)測(cè)納米晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)。