晶体相场法模拟应力作用下位错的运动过程

摘要

晶体相场方法是近年来新发展起来的一种先进多尺度数值模拟方法，既可以描述纳米尺度的原子点阵结构，又可以描述10-12～10-6s量级时间尺度的原子以及缺陷的运动特征。因此，在研究材料微结构演化领域具有巨大优势。由于该方法引入的自由能函数包含多晶取向、弹塑性形变等能够反映晶体周期结构的物理特性，现已被广泛的应用到位错迁移、孪晶生长、超导体中的涡旋晶格、磁性薄膜等领域的研究中，具有深刻的物理含义。周期性体系中的塑性流动是由线缺陷或者位错的运动调节的，研究这一过程的缺陷运动，最大的挑战是如何将独立的位错与体系微观性能联系起来。目前，真实实验还不能做到对刃位错迁移过程的实时观测，而已有的微观模拟实验对这方面内容的研究仍不多见。因此本文采用先进的晶体相场法，针对二维六角晶格体系研究刃型位错在剪切应变作用下的滑移和压缩应变作用下的攀移运动，充分揭示了位错运动过程的基本特性和作用机理。首次研究了位错滑移和攀移运动中有关应变率、过冷度、原子半径对位错动力学行为的影响，并从位错迁移速度和体系能量变化的角度对刃型位错运动机制进行分析，取得的主要的研究成果和创新工作如下:
　　 1.针对包含单一刃型位错的六角固相体系施加外部应力，揭示了过冷度、应变率对刃型位错运动的影响规律。具体表现在:演化前期，无论是刃型位错的滑移还是攀移，运动速度均较慢，演化中后期随着应力的平稳施加，刃型位错保持匀速运动状态;刃型位错滑移速度随着体系过冷度的增加而减小;刃型位错滑移速度和体系平均剪切应变随着剪切应变的增大而增大;刃型位错攀移速度随着体系过冷度的增加而变快;随着压缩应力的增大逐渐加快。
　　 2.研究发现，多个刃型位错在体系内应力作用下发生位错反应，位错间彼此相互作用的结果是使体系趋于最稳定的完整规则点阵结构;反应前后，刃型位错柏氏矢量和保持守恒。
　　 3.通过详细计算刃型位错体系的自由能，并结合原子密度场变量演化的驱动力方程，得到体系能量总是向着最小化方向进行的结论。另外，本文还从原子半径的角度揭示了不同原子尺寸对刃型位错运动规律的影响，即刃型位错体系的原子半径越大，位错运动速度也越快，位错运动过程中有效的释放畸变能，使得体系能量明显降低。
　　 本文在实验可接近的温度和应变速率下的研究结果，合理的展现了刃型位错体系在外部应力作用下的演化形态，为实际材料的加工设计提供参考信息，具有很好的指导作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属微观结构

1．2．1 晶体缺陷

1．2．2 位错分类及运动形式

1．2．3 刃型位错对材料性能的影响

1．3 材料微观结构的计算机模拟方法

1．4 国内外晶体相场模型研究进展

1．5 问题提出及研究目标

第二章 晶体相场模型与动力学方程

2．1 引言

2．2 晶体相场模型

2．2．1 原子密度场变量

2．2．2 自由能表达式

2．2．3 单模近似解

2．2．4 动力学方程

2．2．5 数值求解与可视化

2．2．6 二维相图

2．3 本章小结

第三章 剪切应力作用下刃型位错的滑移

3．1 引言

3．2 模拟实验样品的制备

3．3 剪切应力的施加

3．4 刃型位错滑移运动的影响因素

3．4．1 过冷度对刃型位错滑移运动的影响

3．4．2 剪切应变率对刃型位错滑移运动的影响

3．5 不同晶粒取向的位错反应

3．6 本章小结

第四章 应力作用下刃型位错的攀移

4．1 引言

4．2 刃型位错平衡组态

4．3 模拟实验样品的制备

4．4 压缩应力的施加

4．5 刃型位错攀移运动的影响因素

4．5．1 过冷度对刃型位错攀移运动的影响

4．5．2 压缩应力大小对刃型位错攀移运动的影响

4．6 原子半径大小对刃型位错攀移运动的影响

4．7 本章小节

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文