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金属微结构变形行为的晶体相场法研究

【摘要】:调控材料内部微观结构用以提高其加工性能是研究者们一直以来共同关注的课题。在时间尺度和空间尺度极其有限的条件下,工程实践需耗费大量的时间和成本也难以捕捉到微结构的细节信息。因此,利用晶体相场法研究金属微结构的变形行为意义重大。本文充分利用晶体相场法在微结构演化方面优势,在原子尺度和扩散时间尺度对金属晶体中二维三角相进行模拟。单组元单模晶体相场模型的模拟结果表明,纳米双晶中存在两条小角对称倾转晶界其结构能够用等距垂直排列的刃型位错模型来描述。在体系中持续施加等面积应变,金属微结构在原子层面上发生变形。变形过程中晶界定向迁移且晶界结构未发生转变。金属微结构变形行为的最终结果是异号位错相互抵消导致两条晶界在应力作用下完全湮没,伴随金属缺陷的消失纳米双晶转变为无畸变的单晶。根据原子密度演化图结合体系能量的定量分析可将晶界湮没过程大致分为三个阶段:第一阶段晶界发射四种结构组态(Ⅰ-型、Ⅱ-型、Ⅲ-型和Ⅳ-型)不同的位错并在晶界处发生分离形成新的亚晶粒;第二阶段位错穿越晶粒内部沿面心立方(111)面做有规律的滑移运动,Ⅰ-型和Ⅳ-型位错向两边运动,Ⅱ-型和Ⅲ-型位错向中部靠近。这两个阶段中由于样品受到热力耦合的作用体系自由能曲线单调增加;第三阶段异号位错相遇抵消,剩余位错继续滑移直至晶界湮没过程完成。这一阶段中的自由能曲线下降存在局部极小值点,对应晶界湮没时晶格畸变能的大量释放。本文揭示出晶界湮没的本质是亚晶吞并原始晶粒且体系能量释放的过程,晶界湮没完成后自由能的增长速度始终大于晶界迁移过程中自由能的增长。分析不同参数对晶界湮没过程的影响发现,晶界对温度及晶粒取向角的敏感特性。温度升高有利于原子的扩散以减少晶粒中的晶格畸变。尽管低温条件下位错运动、晶界迁移及湮没的过程能够提前发生,但从位错对相互作用的抵消结果来看适当的升高温度有助于缩短双晶体系在等面积应变下转化为完整单晶结构的时间。尤其温度较高时,位错能够几对一起抵消从而加速晶界的湮没。而在小角度倾向角范围内,随取向角的增大会抑制湮没的发生以及降低晶界的迁移速率。在外加应力下,取向角与材料的屈服强度有一定的响应关系。高温条件下金属微结构变形行为的研究结果表明,晶界上由液相区环绕的独立位错常常伴随着预熔化现象。温度逐渐接近熔点,晶界预先析出一层液相薄膜,液相薄膜的形态与晶粒的取向差角密切相关。晶界在高温预熔及湮没的过程中,晶粒的取向差角越大组成晶界的位错数目越多,位错间距越小。相邻的两独立位错两两合并预熔区连通成为“液相熔池”,且随取向角的增大液相薄膜的尺寸增大。外加应力不会改变晶界的运动方式及位错间的相互作用。优先发生预熔的位错随晶界的湮没完成,其预熔区也会跟着消失。

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