金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)演化的相場法研究.pdf

1、金屬材料特別是金屬結(jié)構(gòu)材料是國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎(chǔ)，在建筑、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人們對金屬材料性能要求越來越高。金屬材料的性能與其微觀組織結(jié)構(gòu)（簡稱微結(jié)構(gòu)）密切相關(guān)，研究金屬材料微結(jié)構(gòu)演化及其影響因素，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地控制和設(shè)計金屬材料微結(jié)構(gòu)以提高金屬材料的力學(xué)性能。目前，研究材料微結(jié)構(gòu)的方法主要有實驗觀測與計算機模擬，但僅利用實驗手段難以從微觀或納觀層次研究材料微結(jié)構(gòu)演化的特征。隨著材料科學(xué)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)

2、展，借助計算機模擬材料微結(jié)構(gòu)演化及優(yōu)化材料參數(shù)顯得尤為重要。在眾多研究材料微結(jié)構(gòu)的計算方法中，相場法因具有深刻的物理思想而成為最強有力的計算方法之一。
　　 本論文應(yīng)用先進的相場法分別從微觀尺度和納觀尺度對金屬材料微結(jié)構(gòu)演化進行研究。在如下幾個方面做出了創(chuàng)新工作:(1)針對變形合金不同變形區(qū)域的特征和體系儲存能分布不均勻的特點，分別引入反映不同變形區(qū)域的儲存能分布的權(quán)重因子和變形區(qū)域的特征狀態(tài)因子，構(gòu)造了多態(tài)自由能函數(shù)(MSFE

3、)，提出了多態(tài)相場(MSPF)模型;(2)將MSPF模型應(yīng)用于AZ31鎂合金的再結(jié)晶形核與長大過程以及亞晶結(jié)構(gòu)的演化過程，并引入權(quán)重概率分布來反映晶粒雙尺寸分布，取得明顯效果;(3)構(gòu)建了具有無限大溫度梯度且在熱區(qū)內(nèi)溫度均勻的移動熱區(qū)相場模型來研究單相多晶材料在定向退火條件下柱狀晶的形成過程。(4)研究了外力作用下納米晶材料中位錯與晶界相互作用的細節(jié)、運動規(guī)律以及納米級微裂紋的擴展特征。經(jīng)系統(tǒng)的研究和探索，取得的主要結(jié)果與結(jié)論如下:

4、r>　　 1.將MSPF模型應(yīng)用于AZ31鎂合金再結(jié)晶退火過程，得到的動力學(xué)規(guī)律符合JMAK理論，所得Avrami曲線可近似看成為直線，Avrami指數(shù)隨變形量的增加而降低。變形程度大的合金，儲存能釋放的速率快，完成靜態(tài)再結(jié)晶過程所需的時間就短，所得結(jié)果與已有的理論結(jié)果和實驗結(jié)果相符。
　　 2.對AZ31鎂合金中亞晶結(jié)構(gòu)演化過程的研究發(fā)現(xiàn):在儲存能較高的區(qū)域（如晶界附近），亞晶較細小，分布較密集;在再結(jié)晶過程中，亞晶密度高的

5、區(qū)域最先出現(xiàn)亞晶合并和吞噬現(xiàn)象，并通過該機制使再結(jié)晶晶粒形核和長大;而在變形晶粒內(nèi)部，亞晶分布較均勻且數(shù)量較少，尺度較大，亞晶合并長大的速率較慢。再結(jié)晶晶粒尺寸的權(quán)重概率分布表明，變形量較大的合金，晶粒尺寸較快地增大，完成再結(jié)晶所需時間較短。
　　 3.對定向退火過程中晶粒長大的研究發(fā)現(xiàn):降低熱區(qū)移動速率、增加熱區(qū)寬度、增加熱區(qū)溫度和減小初始晶粒尺寸，都有利于柱狀晶結(jié)構(gòu)的形成及其連續(xù)向前擴展。第二相顆粒對柱狀晶的產(chǎn)生有顯著的抑制

6、作用，抑制效果隨著第二相顆粒體積分數(shù)的增加和第二相顆粒尺寸的減小而增強。
　　 4.納米晶變形過程的模擬結(jié)果揭示了晶界是位錯源，不僅能夠產(chǎn)生位錯、發(fā)射位錯，而且能夠吸收位錯。隨著溫度的降低，位錯的主要運動方式由攀移變成滑移;在攀移受阻時，容易導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，位錯分離不協(xié)調(diào)。在研究納米多晶變形過程中發(fā)現(xiàn)晶界遷移、晶粒旋轉(zhuǎn)、晶界為了釋放彈性畸變能而變成鋸齒狀、位錯在晶界處形核并發(fā)射等變形行為。溫度升高有利于晶粒旋轉(zhuǎn)和晶界遷移，但

7、不利于位錯傳播。隨著晶粒尺寸增加，晶粒旋轉(zhuǎn)和晶界遷移能力均減弱。
　　 5.對韌性金屬材料中納米級微裂紋的研究發(fā)現(xiàn):對于雙軸拉伸，當應(yīng)變達到臨界值后裂紋在擴展過程中會發(fā)生分叉現(xiàn)象。裂紋在擴展過程中體系能量不斷降低;溫度較高時，裂紋擴展更快且分叉較多。在裂紋擴展過程中容易出現(xiàn)若干與主裂紋斷開的孤立的微小空洞，這些微小空洞將成為新裂紋的萌生之地。
　　 本論文所得結(jié)論為從微納觀層次對金屬材料的改性設(shè)計和揭示金屬材料變形損傷的