金属材料微观缺陷结构演化的机理研究

摘要

近年来，对金属材料的研究，尤其是金属材料微观缺陷结构演化问题的研究，是引入注目的焦点。金属材料是人类社会进步的重要物质基础，它的发展，能显著提高社会生产力，改善人们的生活水平。随着时代的发展，人们对金属材料的性能的要求也越来越高。研究结果表明，金属材料的性能与其微观组织的结构关系十分密切，金属的微观结构尤其是其中的微观缺陷，对金属材料的性能有十分重要的影响。如果能够了解清楚金属材料微观缺陷对其性能的影响因素，就可以通过精确的控制材料的微结构以提高金属的性能。目前，人们通过两种方式研究材料的微观结构:一是实验观测，二是计算机模拟。由于实验观测要求的条件苛刻和成本的高昂，人们无法仅利用实验手段来在微纳观层次研究材料的微结构的演化特征，这时，计算机的模拟就显得尤为重要。随着计算机和计算技术的飞速发展，涌现出许多很实用的计算方法，例如，分子动力学方法、自动元胞机法、相场方法等，其中，晶体相场方法(Phase field crystal method)由于其特有的深刻的物理思想而成为最强有力的计算模拟方法之一。
　　本文用晶体相场法研究了金属材料微观缺陷结构的演化对性能的影响，在如下几个方面做出了创新工作:(1)采用先进的晶体相场法，在扩散时间尺度和原子空间尺度内模拟了异质外延生长过程中缺陷的行为和特征，发现在一定条件下，外延层原子数与衬底倾角密切相关;(2)基于传统的密度泛函理论，提出带直接相关函数类型的无量纲自由能泛函模型，得到改进的PFC模型，用此改进的PFC模型，研究了不同预应变水平、不同原子列倾角的系统在单轴拉伸下纳米级裂纹萌生和扩展的演化过程;(3)用同上述改进了的PFC模型，观测并研究了在外加应变下，初始晶界预熔(GBPM)区域长大成更大面积的软化晶体相域(SCPD)，还观测到了位错的交互作用，包括位错对的增殖，位错对的旋转和它们的湮灭。还看到SCPD的形状随着外加应变的增加而改变。经过系统的研究和探索，取得的主要结果和结论如下:
　　(1)对一定衬底上异质外延过程的界面形貌演化的研究发现，对于不同错配度的系统，演化过程中，错配度越小，模拟演化期间的自由能越大，最终的自由能也越大。在衬底为平面时，随着倾角的增加（由2°增加至5°），至模拟结束，系统自由能也增加，而外延层原子数则增加。如果我们想要外延层有较多的原子时，可以适当增加衬底的倾角。在衬底曲率半径为凸界面时，随着倾角的增加（由2°增加至5°），至模拟末期，系统自由能由大变小，而外延层原子数则减少。如果我们想要外延层有较多的原子时，可以适当减小衬底的倾角。
　　(2)采用晶体相场法研究不同初始条件，y轴施加单向拉伸时微裂纹的扩展行为，发现:样品大都在应变量达到0.138时开始起裂，不同初始条件导致起裂的应变量稍有不同。沿x轴预拉伸的样品，呈扩展-钝化-扩展的长大特征，沿y轴预拉伸的样品，后期都出现较长的解理裂纹扩展。各种情况下，应力-应变曲线先都增加，在拉伸应变量达到0.138以后裂纹扩展，对应的曲线达到峰值，随后曲线下降，直至模拟末期，整个应力-应变曲线图呈一凸形峰。本文的应力-应变曲线变化规律与实验的曲线规律相符。
　　(3)对预熔晶界位错的组态及演化的研究发现:对于不靠近固-液共存温度的高温预熔化样品，施加外应变，晶界处的晶格位错发生滑移运动，具有相反Burgers矢量的位错的亚晶界相向运动，最后发生亚晶界相遇湮没，双晶转变为完整单晶。对于靠近固-液共存温度的高温预熔化样品，在应变下生成的亚晶界相向运动，当靠近到一定距离时，形成位错对偶极子，偶极子的2个位错预熔化区域开始扩张、连通、合并，形成近似棒状区域.这一过程发生了不同类型的位错相互作用，出现了位错对萌生、形核和增殖，位错对的滑移和湮没，由此引起了位错的Burgers矢量方向的改变和位错类型交换。然后发生亚晶界结构出现二次转换，即亚晶界位错矢量方向发生改变，随后出现亚晶界反向往回运动，最后与另一列返回的亚晶界相向靠近，相互作用，引起位错分解，转变成“之”字形的亚晶界，然后湮没消失.整个亚晶界迁移过程随之结束。
　　(4)对高温应变下位错组态和位错的增殖和湮灭过程的演变进行研究发现:局部晶界预熔(GBPM)发生在温度接近固液共存点，应变下软化晶体相域(SCPD)容易增殖，位错通过滑移也容易旋转和湮灭。SCPDs在应变增加时连接和互相融合，但它们并不湮灭或消失。在两SCPDs之间相互作用的本质是SCPD内原子阵列层(AAL)的相对滑动，这使得施加应变诱导位错组态变化和位错产生和湮灭。在SCPD内位错组态的演化和在高温塑性变形下位错由周期动态回复(CDRV)控制的微观机制可以很好的由改进的KM模型揭示。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 材料微观缺陷的分类和计算方法

1．2．1 材料微观缺陷的结构

1．2．2 材料微结构的观察工具

1．2．3 材料微结构的计算方法

1．3 材料微观缺陷的研究现状

1．3．1 异质外延生长的研究现状

1．3．2 裂纹扩展的研究现状

1．3．3 晶界预熔的研究现状

1．4 本课题的研究意义和研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 问题的提出和研究内容

参考文献

2．1 引言

2．2 传统相场法介绍

2．2．1 理论基础

2．2．2 扩散界面模型

2．2．3 场变量的选取

2．2．4 自由能函数的构建

2．2．5 动力学方程

2．3 晶体相场模型

2．3．1 无量纲纯物质自由能函数的构建

2．3．2 单模近似解的结构

2．3．3 单模近似下的相图

2．3．4 改进的PFC模型

2．3．5 动力学方程

2．3．6 数值求解与可视化

2．4 应力施加过程

2．4．2 等体积拉伸

2．5 弹性力学相关理论

2．5．1 平衡微分方程

2．5．2 应变与位移的关系

2．5．3 应力与应变的关系

2．6 直刃型位错的应力场

2．6．1 应力场模型

2．6．2 应力场的数学表达式

2．7 本章小结

附录1．相关函数C2(r)的简单PFC模型

参考文献

第三章 异质外延生长的形貌与能量

3．1 引言

3．2 异质外延的晶体相场模型

3．2．1 晶体相场模型

3．2．2 计算方法

3．3．1 平面外延生长模拟结果与分析

3．3．2 凸面外延生长模拟结果与分析

3．3．3 凹面外延生长模拟结果与分析

3．3．4 分析与讨论--不同曲率表面生长规律(曲率半径的影响)

3．4 本章小结

参考文献

第四章 金属材料中纳米级裂纹扩展

4．1 引言

4．2 微裂纹扩展的晶体相场法模拟

4．2．1 改进的PFC模型和动力学方程

4．2．2 模拟样品准备

4．2．3 外加应变与位移场

4．2．4 裂尖原子的动力学方程

4．3 模拟结果与分析

4．3．1 预拉伸变形下的单轴拉伸

4．3．2 预剪切变形下的单轴拉伸

4．3．3 不同晶向倾角无预变形下单轴拉伸的裂纹扩展

4．3．4 不同晶向倾角预拉伸变形下单轴拉伸的裂纹扩展

4．4 本章小结

参考文献

第五章 高温应变预熔晶界位错的组态演化及机理研究

5．1 引言

5．2 预熔的晶体相相场模型

5．3 样品制备和应变施加

5．3．1 模拟实验的样品设计

5．3．2 应变的施加

5．4 模拟结果与分析

5．4．1 预熔化样品的晶界位错结构

5．4．2 高温样品A的亚晶界迁移与湮没过程

5．4．3 高温样品B1的亚晶界迁移与湮没过程

5．4．4 位错矢量方向改变与原子密度分布变化的关联

5．4．5 位错对偶极子的旋转机理分析

5．4．6 高温样品B2的亚晶界迁移与湮没过程

5．4．7 位错矢量方向改变与原子密度分布变化的关联

5．4．8 位错对偶极子的旋转机理分析

5．5 结论

参考文献

第六章 材料回复过程中位错构型演化与机理研究

6．1．前言

6．2．模型和模拟技术

6．2．1．PFC模型与方程

6．2．2．模拟样品

6．2．3．施加应变

6．3．模拟结果和讨论

6．3．1．样品C的GBPM结构

6．3．2．晶界位错的结构

6．3．3．施加应变下SCPD的形貌

6．3．4．在SCPD内位错构型演化

6．3．5．SCPD内的滑移系统和位错反应

6．3．6．动态恢复

6．4．结论

附录2．计算在r=-0．10时的温度T

参考文献

第七章 结论

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研活动