金屬納米晶熱穩(wěn)定性的定量化可視化仿真與實驗研究.pdf

1、納米材料具備一系列優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能特性,然而,一旦納米晶組織發(fā)生失穩(wěn)而使晶粒長大為亞微米甚至微米級的粗晶組織,納米材料的特殊性能將顯著減弱或消失。因此,研究納米晶材料的穩(wěn)定性和納米晶粒長大特性對保持納米尺度顯微組織及其優(yōu)異性能具有十分重要的科學意義和實用價值。 本文從計算機仿真和實驗兩個方面系統(tǒng)研究了納米晶粒組織演變及納米晶粒長大動力學規(guī)律。 根據(jù)納米多晶體材料的結(jié)構(gòu)特性,將納米晶塊體按照納米晶界和晶內(nèi)的空間結(jié)構(gòu),匹配到

2、構(gòu)成模擬區(qū)域的大量原子尺度的元胞自動機(CA)單位元胞上,由此實現(xiàn)納米多晶體材料的模型化與可視化。將本研究組建立的納米晶熱力學理論模型中的函數(shù)關(guān)系引入CA仿真算法,賦予各不同性質(zhì)的元胞以特定的熱力學能量狀態(tài)。由上述處理建立了金屬納米晶熱力學/CA算法相耦合的應用實參數(shù)的定量化、可視化計算機仿真模型,以之模擬研究納米晶材料的熱穩(wěn)定性及其演變規(guī)律。 利用金屬納米晶熱力學/CA算法耦合模型模擬研究了金屬Co納米晶等溫和變溫晶粒長大過程

3、。直觀地顯現(xiàn)了納米晶顯微組織的演變行為尤其是晶界的局部遷移過程,并獲得了納米晶界原子分數(shù)隨晶粒尺寸的變化關(guān)系。等溫晶粒長大模擬結(jié)果表明納米晶粒長大指數(shù)n不是常數(shù)(傳統(tǒng)粗晶材料的晶粒長大指數(shù)為常數(shù)n=2),而是隨著納米晶粒長大過程的進行逐漸增大。Co納米晶變溫晶粒長大的模擬研究表明,在一定的中間溫度區(qū)域,納米晶具有突發(fā)的快速長大速率,而在較低和較高溫度區(qū)間晶粒長大速率均較緩。 利用高能球磨結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備出了Cu納米晶塊

4、體材料,并設計了系列實驗研究Cu納米晶塊體的晶粒長大行為。 首先,在全面分析高能球磨工藝各影響因素的基礎上,確定了最佳球磨參數(shù),制備出了平均晶粒尺寸約30nm的金屬Cu納米晶粉末。利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)將球磨粉末在157KN(500MPa)軸向壓力、350℃燒結(jié)溫度下制備獲得了致密的Cu納米晶塊體材料。對制備的Cu納米晶塊體進行變溫晶粒長大的實驗研究發(fā)現(xiàn),在一個中間溫度區(qū)間(300℃～500℃)納米晶粒發(fā)生不連續(xù)快速長大。

5、 結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡和透射電鏡的觀測與分析,確定制備的Cu納米晶塊體發(fā)生不連續(xù)晶粒長大的臨界溫度約為400℃?；诒狙芯拷M在納米材料熱力學方面的已有工作,分析了納米晶界過剩自由能對納米晶粒組織熱穩(wěn)定性的影響,指出了納米晶粒尺寸和溫度等因素可能導致金屬納米晶材料發(fā)生不連續(xù)快速晶粒長大的內(nèi)在機制。本文所建立的金屬納米晶熱力學/CA算法耦合模型,不僅可以可視化地顯示納米晶組織的演變,而且可以定量化地預測納米晶粒長大的動力學。