金属材料微观组织结构演化的相场法研究

摘要

金属材料特别是金属结构材料是国民经济的物质基础，在建筑、航空航天等工业领域有广泛应用。随着科学技术的进步，人们对金属材料性能要求越来越高。金属材料的性能与其微观组织结构（简称微结构）密切相关，研究金属材料微结构演化及其影响因素，能够实现精确地控制和设计金属材料微结构以提高金属材料的力学性能。目前，研究材料微结构的方法主要有实验观测与计算机模拟，但仅利用实验手段难以从微观或纳观层次研究材料微结构演化的特征。随着材料科学与计算机技术的飞速发展，借助计算机模拟材料微结构演化及优化材料参数显得尤为重要。在众多研究材料微结构的计算方法中，相场法因具有深刻的物理思想而成为最强有力的计算方法之一。
　　 本论文应用先进的相场法分别从微观尺度和纳观尺度对金属材料微结构演化进行研究。在如下几个方面做出了创新工作:(1)针对变形合金不同变形区域的特征和体系储存能分布不均匀的特点，分别引入反映不同变形区域的储存能分布的权重因子和变形区域的特征状态因子，构造了多态自由能函数(MSFE)，提出了多态相场(MSPF)模型;(2)将MSPF模型应用于AZ31镁合金的再结晶形核与长大过程以及亚晶结构的演化过程，并引入权重概率分布来反映晶粒双尺寸分布，取得明显效果;(3)构建了具有无限大温度梯度且在热区内温度均匀的移动热区相场模型来研究单相多晶材料在定向退火条件下柱状晶的形成过程。(4)研究了外力作用下纳米晶材料中位错与晶界相互作用的细节、运动规律以及纳米级微裂纹的扩展特征。经系统的研究和探索，取得的主要结果与结论如下:
　　 1.将MSPF模型应用于AZ31镁合金再结晶退火过程，得到的动力学规律符合JMAK理论，所得Avrami曲线可近似看成为直线，Avrami指数随变形量的增加而降低。变形程度大的合金，储存能释放的速率快，完成静态再结晶过程所需的时间就短，所得结果与已有的理论结果和实验结果相符。
　　 2.对AZ31镁合金中亚晶结构演化过程的研究发现:在储存能较高的区域（如晶界附近），亚晶较细小，分布较密集;在再结晶过程中，亚晶密度高的区域最先出现亚晶合并和吞噬现象，并通过该机制使再结晶晶粒形核和长大;而在变形晶粒内部，亚晶分布较均匀且数量较少，尺度较大，亚晶合并长大的速率较慢。再结晶晶粒尺寸的权重概率分布表明，变形量较大的合金，晶粒尺寸较快地增大，完成再结晶所需时间较短。
　　 3.对定向退火过程中晶粒长大的研究发现:降低热区移动速率、增加热区宽度、增加热区温度和减小初始晶粒尺寸，都有利于柱状晶结构的形成及其连续向前扩展。第二相颗粒对柱状晶的产生有显著的抑制作用，抑制效果随着第二相颗粒体积分数的增加和第二相颗粒尺寸的减小而增强。
　　 4.纳米晶变形过程的模拟结果揭示了晶界是位错源，不仅能够产生位错、发射位错，而且能够吸收位错。随着温度的降低，位错的主要运动方式由攀移变成滑移;在攀移受阻时，容易导致应力分布不均匀，位错分离不协调。在研究纳米多晶变形过程中发现晶界迁移、晶粒旋转、晶界为了释放弹性畸变能而变成锯齿状、位错在晶界处形核并发射等变形行为。温度升高有利于晶粒旋转和晶界迁移，但不利于位错传播。随着晶粒尺寸增加，晶粒旋转和晶界迁移能力均减弱。
　　 5.对韧性金属材料中纳米级微裂纹的研究发现:对于双轴拉伸，当应变达到临界值后裂纹在扩展过程中会发生分叉现象。裂纹在扩展过程中体系能量不断降低;温度较高时，裂纹扩展更快且分叉较多。在裂纹扩展过程中容易出现若干与主裂纹断开的孤立的微小空洞，这些微小空洞将成为新裂纹的萌生之地。
　　 本论文所得结论为从微纳观层次对金属材料的改性设计和揭示金属材料变形损伤的微观机制具有重要的参考价值，对抗疲劳断裂、提高金属材料的使用寿命也有科学的指导作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属材料微结构的研究概况

1．2．1 金属材料微结构与性能

1．2．2 金属材料基础理论

1．3 材料微结构的计算方法

1．3．1宏观尺寸模拟

1．3．2 介观和微观尺寸模拟

1．3．3 纳观尺寸模拟

1．4 相场法的应用举例

1．4．1 凝固过程

1．4．2 固态相变过程

1．4．3 晶粒长大过程

1．4．4 再结晶过程

1．4．5 位错与裂纹

1．5 本课题的研究意义和研究内容

1．5．1 问题的提出

1．5．2 研究意义

1．5．3 研究内容

第二章 相场法及其数值解法

2．1 引言

2．2 相场法介绍

2．2．1 理论基础

2．2．2 场变量的选取

2．2．3 自由能函数的构建

2．2．4 动力学方程

2．2．5 主要步骤

2．3 相场法的数值解法

2．3．1 有限差分法

2．3．2 傅里叶谱方法

2．4 开发环境

2．5 本章小结

第三章 含第二相颗粒的多晶材料晶粒长大过程

3．1 引言

3．2 晶粒长大机理

3．2．1 正常晶粒长大

3．2．2 含第二相颗粒的晶粒长大

3．3 含第二相颗粒的晶粒长大相场模型的建立

3．3．1 含第二相颗粒的单相晶粒长大的自由能函数

3．3．2 含第二相颗粒的两相晶粒长大的自由能函数

3．3．3 动力学方程

3．4 模拟参数

3．4．1 单相晶粒长大参数

3．4．2 两相晶粒长大参数

3．5 模拟结果与分析

3．5．1 单相晶粒长大过程

3．5．2 两相晶粒长大过程

3．6 本章小结

第四章 变形合金退火过程的晶粒结构演化

4．1 引言

4．2 变形与退火过程

4．2．1 变形金属材料微结构与储存能

4．2．2 变形金属退火过程组织和性能变化

4．2．3 再结晶

4．3 模型与方法

4．3．1 相场模型及动力学方程

4．3．2 变形晶粒组织的生成

4．3．3 变形晶粒体系的自由能函数的构建

4．3．4 变形晶粒体系储存能分布模型

4．3．5 模拟参数

4．4 模拟结果与分析

4．4．1 再结晶形核长大过程

4．4．2 再结晶动力学曲线

4．4．3 储存能的变化

4．4．4 变形量与晶粒尺寸的关系

4．4．5 与实验结果对比

4．5 本章小结

第五章 变形合金的亚晶结构演化

5．1 引言

5．2 亚晶结构

5．3 模型与方法

5．3．1 变形晶粒的生成

5．3．2 变形晶粒的亚晶结构

5．3．3 模拟参数

5．4 模拟结果与分析

5．4．1 变形合金中亚晶结构的形成

5．4．2 亚晶结构的演化

5．4．3 晶粒尺寸分布

5．4．4 与实验比较

5．5 本章小结

第六章 定向退火条件下晶粒长大过程

6．1 引言

6．2 定向退火条件F品粒长大相场模型

6．2．1 单相晶粒长大相场模型

6．2．2 晶界迁移率的设置

6．2．3 模拟参数

6．3 模拟结果与分析

6．3．1 均匀退火和定向退火

6．3．2 热区温度对柱状晶的影响

6．3．3 热区移动速率对柱状晶的影响

6．3．4 热区宽度对柱状晶的影响

6．3．5 初始晶粒尺寸对柱状晶的影响

6．3．6 热区宽度对柱状晶连续扩展的影响

6．3．7 柱状晶连续扩展的热区移动临界速率

6．3．8 第二相颗粒对柱状晶的影响

6．4 本章小结

第七章 纳米金属材料的位错与晶界运动

7．1 引言

7．2 晶体相场模型

7．2．1 模型的建立

7．2．2 动力学方程

7．2．3 变形模型

7．2．4 模拟参数

7．2．5 晶界位错模型及位错形貌

7．3 纳米双晶的变形模拟

7．3．1 计算模型

7．3．2 模拟结果与分析

7．4 纳米多晶的变形模拟

7．4．1 计算模型

7．4．2 模拟结果与分析

7．5 本章小结

第八章 纳米级微裂纹扩展研究

8．1 引言

8．2 微裂纹扩展的晶体相场模型

8．2．1 晶体相场模型

8．2．2 应变施加方法

8．2．3 初始裂口的设置及模拟参数的选取

8．3 模拟结果与分析

8．3．1 应变对裂纹扩展的影响

8．3．2 初始裂口形状及原子密度对裂纹扩展的影响

8．3．3 温度对裂纹扩展的影响

8．3．4 裂纹间相互作用

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 结论

9．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研活动