晶體相場方法模擬高溫應(yīng)變作用下晶界的位錯(cuò)組態(tài)及其演化.pdf

1、納米尺度下晶體材料的變形機(jī)制是傳統(tǒng)力學(xué)研究領(lǐng)域的重要前沿方向之一,探討晶體變形時(shí)的結(jié)構(gòu)演變,弄清晶體中各種缺陷(點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、晶界等)、微觀應(yīng)力、晶界狀態(tài)以及晶粒尺寸等多種因素對晶體塑性變形過程的影響機(jī)理是其中的核心問題。但由于各種影響因素在晶體變形過程中發(fā)生相互作用導(dǎo)致變形過程極為復(fù)雜,在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)時(shí)觀察變形細(xì)節(jié),因此采用計(jì)算機(jī)模擬可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足。晶體相場模型作為最新提出的一種全新的模擬技術(shù),已得到廣泛應(yīng)用。該模型可以描

2、述原子空間尺度和擴(kuò)散時(shí)間尺度上的缺陷空位原子和晶界的遷移現(xiàn)象,揭示微觀效應(yīng)。基于此,本文采用最簡單的雙晶模型結(jié)構(gòu),利用晶體相場模型研究晶界位錯(cuò)在高溫晶體塑性變形過程中的作用。針對高溫應(yīng)變作用下的小角度晶界,討論了不同溫度對晶界的拉伸變形微結(jié)構(gòu)演化過程的影響,觀察到晶界位錯(cuò)存在于整個(gè)變形過程并為主要的應(yīng)變協(xié)調(diào)方式,分析了預(yù)熔區(qū)域內(nèi)位錯(cuò)間彈性相互作用過程,揭示預(yù)熔區(qū)域的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)理,所做的創(chuàng)新工作和取得的主要成果如下:
　　1.通過對

3、不同溫度下六角相對稱傾側(cè)小角晶界模擬研究可知,體系遠(yuǎn)離熔點(diǎn)溫度時(shí),晶界是由Burgers矢量夾角呈60°的兩種刃型位錯(cuò)組組成。體系接近熔點(diǎn)溫度時(shí),晶界處的晶格位錯(cuò)周圍出現(xiàn)預(yù)熔化現(xiàn)象,但預(yù)熔化區(qū)域內(nèi)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變;體系處于固液共存溫度時(shí),取向差角為8°的晶界發(fā)生了晶界結(jié)構(gòu)相變,晶界由吸引晶界轉(zhuǎn)化為排斥晶界。
　　2.針對取向差為4°的小角度對稱傾側(cè)晶界變形過程,低溫時(shí)晶界處相同類型的位錯(cuò)組運(yùn)動(dòng)方向相反,并且各自與另一晶界上

4、同一類型的位錯(cuò)在靠近時(shí)相互吸引發(fā)生湮沒,最終形成理想單晶。接近熔點(diǎn)時(shí),晶界位錯(cuò)的湮沒規(guī)律與低溫時(shí)基本相同,但由于預(yù)熔情況的出現(xiàn),使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力降低,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度較快,湮沒時(shí)體系能量減小得更多。處于固液共存溫度時(shí),晶界位錯(cuò)周圍預(yù)熔化區(qū)域出現(xiàn)晶格原子軟化現(xiàn)象較明顯,原預(yù)熔化區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)變誘發(fā)更大面積的預(yù)熔化區(qū)域。在外加應(yīng)變作用下,預(yù)熔區(qū)域內(nèi)位錯(cuò)間應(yīng)變場的相互作用,引起位錯(cuò)成對地增殖,并發(fā)生位錯(cuò)對的旋轉(zhuǎn)和湮沒等現(xiàn)象,這一過程伴隨預(yù)熔化區(qū)

5、域相向擴(kuò)展、合并,然后又分解、分離;
　　3.針對取向差為8°的小角度對稱傾側(cè)晶界變形過程,低溫變形時(shí)晶界分解為四排亞晶界,位錯(cuò)伴隨著亞晶界一起向兩邊滑移,最終亞晶界相遇湮沒,晶體形成理想單晶體。接近熔點(diǎn)時(shí),變形初始階段的晶界位錯(cuò)的滑移方式與低溫時(shí)的情況相同,但當(dāng)亞晶界相遇時(shí),變形的主要應(yīng)變協(xié)調(diào)方式由位錯(cuò)組的滑移改變?yōu)槲诲e(cuò)組的相互耦合旋轉(zhuǎn),構(gòu)成位錯(cuò)偶極子的位錯(cuò)對的Burgers矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了120°,旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí),位錯(cuò)偶極子發(fā)生分