晶體相場方法模擬高溫應(yīng)變作用下晶界的位錯組態(tài)及其演化.pdf

1、納米尺度下晶體材料的變形機制是傳統(tǒng)力學(xué)研究領(lǐng)域的重要前沿方向之一,探討晶體變形時的結(jié)構(gòu)演變,弄清晶體中各種缺陷(點缺陷、位錯、晶界等)、微觀應(yīng)力、晶界狀態(tài)以及晶粒尺寸等多種因素對晶體塑性變形過程的影響機理是其中的核心問題。但由于各種影響因素在晶體變形過程中發(fā)生相互作用導(dǎo)致變形過程極為復(fù)雜,在現(xiàn)有的實驗條件下難以實時觀察變形細(xì)節(jié),因此采用計算機模擬可彌補實驗的不足。晶體相場模型作為最新提出的一種全新的模擬技術(shù),已得到廣泛應(yīng)用。該模型可以描

2、述原子空間尺度和擴散時間尺度上的缺陷空位原子和晶界的遷移現(xiàn)象,揭示微觀效應(yīng)。基于此,本文采用最簡單的雙晶模型結(jié)構(gòu),利用晶體相場模型研究晶界位錯在高溫晶體塑性變形過程中的作用。針對高溫應(yīng)變作用下的小角度晶界,討論了不同溫度對晶界的拉伸變形微結(jié)構(gòu)演化過程的影響,觀察到晶界位錯存在于整個變形過程并為主要的應(yīng)變協(xié)調(diào)方式,分析了預(yù)熔區(qū)域內(nèi)位錯間彈性相互作用過程,揭示預(yù)熔區(qū)域的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機理,所做的創(chuàng)新工作和取得的主要成果如下:
　　1.通過對

3、不同溫度下六角相對稱傾側(cè)小角晶界模擬研究可知,體系遠(yuǎn)離熔點溫度時,晶界是由Burgers矢量夾角呈60°的兩種刃型位錯組組成。體系接近熔點溫度時,晶界處的晶格位錯周圍出現(xiàn)預(yù)熔化現(xiàn)象,但預(yù)熔化區(qū)域內(nèi)的位錯結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變;體系處于固液共存溫度時,取向差角為8°的晶界發(fā)生了晶界結(jié)構(gòu)相變,晶界由吸引晶界轉(zhuǎn)化為排斥晶界。
　　2.針對取向差為4°的小角度對稱傾側(cè)晶界變形過程,低溫時晶界處相同類型的位錯組運動方向相反,并且各自與另一晶界上

4、同一類型的位錯在靠近時相互吸引發(fā)生湮沒,最終形成理想單晶。接近熔點時,晶界位錯的湮沒規(guī)律與低溫時基本相同,但由于預(yù)熔情況的出現(xiàn),使得位錯運動的阻力降低,位錯運動的速度較快,湮沒時體系能量減小得更多。處于固液共存溫度時,晶界位錯周圍預(yù)熔化區(qū)域出現(xiàn)晶格原子軟化現(xiàn)象較明顯,原預(yù)熔化區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)變誘發(fā)更大面積的預(yù)熔化區(qū)域。在外加應(yīng)變作用下,預(yù)熔區(qū)域內(nèi)位錯間應(yīng)變場的相互作用,引起位錯成對地增殖,并發(fā)生位錯對的旋轉(zhuǎn)和湮沒等現(xiàn)象,這一過程伴隨預(yù)熔化區(qū)

5、域相向擴展、合并,然后又分解、分離;
　　3.針對取向差為8°的小角度對稱傾側(cè)晶界變形過程,低溫變形時晶界分解為四排亞晶界,位錯伴隨著亞晶界一起向兩邊滑移,最終亞晶界相遇湮沒,晶體形成理想單晶體。接近熔點時,變形初始階段的晶界位錯的滑移方式與低溫時的情況相同,但當(dāng)亞晶界相遇時,變形的主要應(yīng)變協(xié)調(diào)方式由位錯組的滑移改變?yōu)槲诲e組的相互耦合旋轉(zhuǎn),構(gòu)成位錯偶極子的位錯對的Burgers矢量逆時針旋轉(zhuǎn)了120°,旋轉(zhuǎn)結(jié)束時,位錯偶極子發(fā)生分