金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化的機理研究.pdf

1、近年來，對金屬材料的研究，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。金屬材料是人類社會進步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它的發(fā)展，能顯著提高社會生產(chǎn)力，改善人們的生活水平。隨著時代的發(fā)展，人們對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):一是實驗觀測，二是計算機模擬。由于實驗觀測要求的條件苛刻和成本的高昂，人們無法僅利用實驗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，計算機的模擬就顯得尤為重要。隨著計算機和計算技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多很實用的計算方法，例如，分子動力學方法、自動元胞機法、相場方法等，其中，晶體相場方法(Phase field crystal method)由于其特有的深刻的物理思想

3、而成為最強有力的計算模擬方法之一。
　　本文用晶體相場法研究了金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)的演化對性能的影響，在如下幾個方面做出了創(chuàng)新工作:(1)采用先進的晶體相場法，在擴散時間尺度和原子空間尺度內(nèi)模擬了異質(zhì)外延生長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，得到改進的PFC模型，用此改進的PFC模型，研究了不同預應(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裂紋萌生和擴展的演化過程;(3)用同上述改進了的PFC模型，觀測并研究了在外加應(yīng)變下，初始晶界預熔(GBPM)區(qū)域長大成更大面積的軟化晶體相域(SCPD)，還觀測到了位錯的交互作用，包括位錯對的增殖，位錯對的旋轉(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)，對于不同錯配度的系統(tǒng)，演

5、化過程中，錯配度越小，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，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，可以適當增加襯底的傾角。在襯底曲率半徑為凸界面時，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，可以適當減小襯底的傾角。
　　(2)采用晶體相場法研究

6、不同初始條件，y軸施加單向拉伸時微裂紋的擴展行為，發(fā)現(xiàn):樣品大都在應(yīng)變量達到0.138時開始起裂，不同初始條件導致起裂的應(yīng)變量稍有不同。沿x軸預拉伸的樣品，呈擴展-鈍化-擴展的長大特征，沿y軸預拉伸的樣品，后期都出現(xiàn)較長的解理裂紋擴展。各種情況下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線先都增加，在拉伸應(yīng)變量達到0.138以后裂紋擴展，對應(yīng)的曲線達到峰值，隨后曲線下降，直至模擬末期，整個應(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)律與實驗的曲線規(guī)律相符

7、。
　　(3)對預熔晶界位錯的組態(tài)及演化的研究發(fā)現(xiàn):對于不靠近固-液共存溫度的高溫預熔化樣品，施加外應(yīng)變，晶界處的晶格位錯發(fā)生滑移運動，具有相反Burgers矢量的位錯的亞晶界相向運動，最后發(fā)生亞晶界相遇湮沒，雙晶轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麊尉?。對于靠近?液共存溫度的高溫預熔化樣品，在應(yīng)變下生成的亞晶界相向運動，當靠近到一定距離時，形成位錯對偶極子，偶極子的2個位錯預熔化區(qū)域開始擴張、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相

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