金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化的機(jī)理研究.pdf

1、近年來，對(duì)金屬材料的研究，尤其是金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化問題的研究，是引入注目的焦點(diǎn)。金屬材料是人類社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它的發(fā)展，能顯著提高社會(huì)生產(chǎn)力，改善人們的生活水平。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)金屬材料的性能的要求也越來越高。研究結(jié)果表明，金屬材料的性能與其微觀組織的結(jié)構(gòu)關(guān)系十分密切，金屬的微觀結(jié)構(gòu)尤其是其中的微觀缺陷，對(duì)金屬材料的性能有十分重要的影響。如果能夠了解清楚金屬材料微觀缺陷對(duì)其性能的影響因素，就可以通過精確的控制材料的微

2、結(jié)構(gòu)以提高金屬的性能。目前，人們通過兩種方式研究材料的微觀結(jié)構(gòu):一是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，二是計(jì)算機(jī)模擬。由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)要求的條件苛刻和成本的高昂，人們無法僅利用實(shí)驗(yàn)手段來在微納觀層次研究材料的微結(jié)構(gòu)的演化特征，這時(shí)，計(jì)算機(jī)的模擬就顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多很實(shí)用的計(jì)算方法，例如，分子動(dòng)力學(xué)方法、自動(dòng)元胞機(jī)法、相場(chǎng)方法等，其中，晶體相場(chǎng)方法(Phase field crystal method)由于其特有的深刻的物理思想

3、而成為最強(qiáng)有力的計(jì)算模擬方法之一。
　　本文用晶體相場(chǎng)法研究了金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)的演化對(duì)性能的影響，在如下幾個(gè)方面做出了創(chuàng)新工作:(1)采用先進(jìn)的晶體相場(chǎng)法，在擴(kuò)散時(shí)間尺度和原子空間尺度內(nèi)模擬了異質(zhì)外延生長(zhǎng)過程中缺陷的行為和特征，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，外延層原子數(shù)與襯底傾角密切相關(guān);(2)基于傳統(tǒng)的密度泛函理論，提出帶直接相關(guān)函數(shù)類型的無量綱自由能泛函模型，得到改進(jìn)的PFC模型，用此改進(jìn)的PFC模型，研究了不同預(yù)應(yīng)變水平、不同原子列

4、傾角的系統(tǒng)在單軸拉伸下納米級(jí)裂紋萌生和擴(kuò)展的演化過程;(3)用同上述改進(jìn)了的PFC模型，觀測(cè)并研究了在外加應(yīng)變下，初始晶界預(yù)熔(GBPM)區(qū)域長(zhǎng)大成更大面積的軟化晶體相域(SCPD)，還觀測(cè)到了位錯(cuò)的交互作用，包括位錯(cuò)對(duì)的增殖，位錯(cuò)對(duì)的旋轉(zhuǎn)和它們的湮滅。還看到SCPD的形狀隨著外加應(yīng)變的增加而改變。經(jīng)過系統(tǒng)的研究和探索，取得的主要結(jié)果和結(jié)論如下:
　　(1)對(duì)一定襯底上異質(zhì)外延過程的界面形貌演化的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同錯(cuò)配度的系統(tǒng)，演

5、化過程中，錯(cuò)配度越小，模擬演化期間的自由能越大，最終的自由能也越大。在襯底為平面時(shí)，隨著傾角的增加（由2°增加至5°），至模擬結(jié)束，系統(tǒng)自由能也增加，而外延層原子數(shù)則增加。如果我們想要外延層有較多的原子時(shí)，可以適當(dāng)增加襯底的傾角。在襯底曲率半徑為凸界面時(shí)，隨著傾角的增加（由2°增加至5°），至模擬末期，系統(tǒng)自由能由大變小，而外延層原子數(shù)則減少。如果我們想要外延層有較多的原子時(shí)，可以適當(dāng)減小襯底的傾角。
　　(2)采用晶體相場(chǎng)法研究

6、不同初始條件，y軸施加單向拉伸時(shí)微裂紋的擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn):樣品大都在應(yīng)變量達(dá)到0.138時(shí)開始起裂，不同初始條件導(dǎo)致起裂的應(yīng)變量稍有不同。沿x軸預(yù)拉伸的樣品，呈擴(kuò)展-鈍化-擴(kuò)展的長(zhǎng)大特征，沿y軸預(yù)拉伸的樣品，后期都出現(xiàn)較長(zhǎng)的解理裂紋擴(kuò)展。各種情況下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線先都增加，在拉伸應(yīng)變量達(dá)到0.138以后裂紋擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)的曲線達(dá)到峰值，隨后曲線下降，直至模擬末期，整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖呈一凸形峰。本文的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)的曲線規(guī)律相符

7、。
　　(3)對(duì)預(yù)熔晶界位錯(cuò)的組態(tài)及演化的研究發(fā)現(xiàn):對(duì)于不靠近固-液共存溫度的高溫預(yù)熔化樣品，施加外應(yīng)變，晶界處的晶格位錯(cuò)發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，具有相反Burgers矢量的位錯(cuò)的亞晶界相向運(yùn)動(dòng)，最后發(fā)生亞晶界相遇湮沒，雙晶轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麊尉А?duì)于靠近固-液共存溫度的高溫預(yù)熔化樣品，在應(yīng)變下生成的亞晶界相向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)靠近到一定距離時(shí)，形成位錯(cuò)對(duì)偶極子，偶極子的2個(gè)位錯(cuò)預(yù)熔化區(qū)域開始擴(kuò)張、連通、合并，形成近似棒狀區(qū)域.這一過程發(fā)生了不同類型的位錯(cuò)相

8、互作用，出現(xiàn)了位錯(cuò)對(duì)萌生、形核和增殖，位錯(cuò)對(duì)的滑移和湮沒，由此引起了位錯(cuò)的Burgers矢量方向的改變和位錯(cuò)類型交換。然后發(fā)生亞晶界結(jié)構(gòu)出現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換，即亞晶界位錯(cuò)矢量方向發(fā)生改變，隨后出現(xiàn)亞晶界反向往回運(yùn)動(dòng)，最后與另一列返回的亞晶界相向靠近，相互作用，引起位錯(cuò)分解，轉(zhuǎn)變成“之”字形的亞晶界，然后湮沒消失.整個(gè)亞晶界遷移過程隨之結(jié)束。
　　(4)對(duì)高溫應(yīng)變下位錯(cuò)組態(tài)和位錯(cuò)的增殖和湮滅過程的演變進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):局部晶界預(yù)熔(GBPM)發(fā)