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晶体结构及其转变的O点阵理论和晶体相场法研究

【摘要】:在材料的加工和服役过程中,晶体结构及其转变在很大程度上决定了材料的力学、物理和化学性能。晶体相场模型可在扩散时间尺度和原子空间尺度下实时地反映界面的演化,在研究晶界和相界的形成与迁移方面具有独特的优势。O点阵理论作为较为全面的晶体学模型,可为分析晶体结构及其转变过程中出现的晶体学特征提供有力的支持。本文通过结合O点阵理论和晶体相场模型,实现了从静态结构分析和动态微观演化两个方面来研究晶体结构及其转变过程。 本文基于晶体相场模型,分别系统地研究了外应变作用下晶界的演化规律,探讨了调幅分解过程中相畴与晶界相互影响下微结构的演化过程,分析了凝固过程中晶向的择优选择机制及晶粒形貌的演化规律,研究了六方相至四方相转变的形核与生长过程。 研究表明,小角度对称晶界可由柏氏矢量垂直于晶界的单位错组来描述。在外应变的作用下,晶界的运动机制可描述为:位错沿晶界的攀移、位错的分解和异号位错的相遇及抵消。伴随位错的抵消,晶界上的位错密度减小,晶粒间位向差降低。而且,体系温度的降低、位向差的增加和沿晶界施加拉应变均会阻碍晶界运动。 为降低调幅分解过程中相界面处逐步积累的弹性应变能,晶界结构会在相变过程中发生改变。当晶粒间位向差增大时,晶界的稳定性提高,同时相畴的分布均匀化,且具有规律性;当提高合金成分时,相界面处的应力场变大,与晶界的相互作用增强,晶界在相变过程中的稳定性减弱,相畴分布较为无序;当提高体系温度时,相界面宽度增大,且其应力场随两相晶格常数差异的较小而减弱,晶界在相变过程中的稳定性提高,相畴分布较为有序。 在不同的相变驱动力下,四方相和六方相晶粒虽然呈现出不同的形貌演化规律,但却表现出统一的界面迁移机制。当体系的相变驱动力增加时,界面的迁移机制均由单层层状生长机制向多层层状生长机制转变。晶粒的形貌演化则具有各自的规律:四方相晶粒由截角四方形逐步演化为四重对称性的枝晶;六方相晶粒由六方形向六重对称性枝晶转变。 对于六方相向四方相转变的形核过程,本文通过结合晶体相场模型和自由尾节点-微动弹性带理论,提出了一个可定量研究临界形核的原子尺度模型。对于相变中晶粒的生长过程,本文通过O点阵理论和模拟的比较分析确定了两相间位向关系为[10]S//[10]T,且晶粒的两个惯习面取向分别为与[10]S呈15°和15°夹角。最后基于界面结构的分析和界面的演化规律,提出了台阶状相界面的迁移机制。

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