本文選題：金屬材料 + 數(shù)值計(jì)算模擬　； 參考：《廣西大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近年來(lái),對(duì)金屬材料的研究,尤其是金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化問(wèn)題的研究,是引人注目的焦點(diǎn)。金屬材料是人類社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ),它的發(fā)展,能顯著提高社會(huì)生產(chǎn)力,改善人們的生活水平。隨著時(shí)代的發(fā)展,人們對(duì)金屬材料的性能的要求也越來(lái)越高。研究結(jié)果表明,金屬材料的性能與其微觀組織的結(jié)構(gòu)關(guān)系十分密切,金屬的微觀結(jié)構(gòu)尤其是其中的微觀缺陷,對(duì)金屬材料的性能有十分重要的影響。如果能夠了解清楚金屬材料微觀缺陷對(duì)其性能的影響因素,就可以通過(guò)精確的控制材料的微結(jié)構(gòu)以提高金屬的性能。目前,人們通過(guò)兩種方式研究材料的微觀結(jié)構(gòu):一是實(shí)驗(yàn)觀測(cè),二是計(jì)算機(jī)模擬。由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)要求的條件苛刻和成本的高昂,人們無(wú)法僅利用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)在微納觀層次研究材料的微結(jié)構(gòu)的演化特征,這時(shí),計(jì)算機(jī)的模擬就顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,涌現(xiàn)出許多很實(shí)用的計(jì)算方法,例如,分子動(dòng)力學(xué)方法、自動(dòng)元胞機(jī)法、相場(chǎng)方法等,其中,晶體相場(chǎng)方法(Phase field crystal method)由于其特有的深刻的物理思想而成為最強(qiáng)有力的計(jì)算模擬方法之一。本文用晶體相場(chǎng)法研究了金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)的演化對(duì)性能的影響,在如下幾個(gè)方面做出了創(chuàng)新工作:(1)采用先進(jìn)的晶體相場(chǎng)法,在擴(kuò)散時(shí)間尺度和原子空間尺度內(nèi)模擬了異質(zhì)外延生長(zhǎng)過(guò)程中缺陷的行為和特征,發(fā)現(xiàn)在一定條件下,外延層原子數(shù)與襯底傾角密切相關(guān);(2)基于傳統(tǒng)的密度泛函理論,提出帶直接相關(guān)函數(shù)類型的無(wú)量綱自由能泛函模型,得到改進(jìn)的PFC模型,用此改進(jìn)的PFC模型,研究了不同預(yù)應(yīng)變水平、不同原子列傾角的系統(tǒng)在單軸拉伸下納米級(jí)裂紋萌生和擴(kuò)展的演化過(guò)程;(3)用同上述改進(jìn)了的PFC模型,觀測(cè)并研究了在外加應(yīng)變下,初始晶界預(yù)熔(GBPM)區(qū)域長(zhǎng)大成更大面積的軟化晶體相域(SCPD),還觀測(cè)到了位錯(cuò)的交互作用,包括位錯(cuò)對(duì)的增殖,位錯(cuò)對(duì)的旋轉(zhuǎn)和它們的湮滅。還看到SCPD的形狀隨著外加應(yīng)變的增加而改變。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的研究和探索,取得的主要結(jié)果和結(jié)論如下:(1)對(duì)一定襯底上異質(zhì)外延過(guò)程的界面形貌演化的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同錯(cuò)配度的系統(tǒng),演化過(guò)程中,錯(cuò)配度越小,模擬演化期間的自由能越大,最終的自由能也越大。在襯底為平面時(shí),隨著傾角的增加(由2°增加至5°),至模擬結(jié)束,系統(tǒng)自由能也增加,而外延層原子數(shù)則增加。如果我們想要外延層有較多的原子時(shí),可以適當(dāng)增加襯底的傾角。在襯底曲率半徑為凸界面時(shí),隨著傾角的增加(由2。增加至5。),至模擬末期,系統(tǒng)自由能由大變小,而外延層原子數(shù)則減少。如果我們想要外延層有較多的原子時(shí),可以適當(dāng)減小襯底的傾角。(2)采用晶體相場(chǎng)法研究不同初始條件,y軸施加單向拉伸時(shí)微裂紋的擴(kuò)展行為,發(fā)現(xiàn):樣品大都在應(yīng)變量達(dá)到0.138時(shí)開(kāi)始起裂,不同初始條件導(dǎo)致起裂的應(yīng)變量稍有不同。沿x軸預(yù)拉伸的樣品,呈擴(kuò)展-鈍化-擴(kuò)展的長(zhǎng)大特征,沿y軸預(yù)拉伸的樣品,后期都出現(xiàn)較長(zhǎng)的解理裂紋擴(kuò)展。各種情況下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線先都增加,在拉伸應(yīng)變量達(dá)到0.138以后裂紋擴(kuò)展,對(duì)應(yīng)的曲線達(dá)到峰值,隨后曲線下降,直至模擬末期,整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖呈一凸形峰。本文的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)的曲線規(guī)律相符。(3)對(duì)預(yù)熔晶界位錯(cuò)的組態(tài)及演化的研究發(fā)現(xiàn):對(duì)于不靠近固-液共存溫度的高溫預(yù)熔化樣品,施加外應(yīng)變,晶界處的晶格位錯(cuò)發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng),具有相反Burgers矢量的位錯(cuò)的亞晶界相向運(yùn)動(dòng),最后發(fā)生亞晶界相遇湮沒(méi),雙晶轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麊尉�。�?duì)于靠近固-液共存溫度的高溫預(yù)熔化樣品,在應(yīng)變下生成的亞晶界相向運(yùn)動(dòng),當(dāng)靠近到一定距離時(shí),形成位錯(cuò)對(duì)偶極子,偶極子的2個(gè)位錯(cuò)預(yù)熔化區(qū)域開(kāi)始擴(kuò)張、連通、合并,形成近似棒狀區(qū)域.這一過(guò)程發(fā)生了不同類型的位錯(cuò)相互作用,出現(xiàn)了位錯(cuò)對(duì)萌生、形核和增殖,位錯(cuò)對(duì)的滑移和湮沒(méi),由此引起了位錯(cuò)的Burgers矢量方向的改變和位錯(cuò)類型交換。然后發(fā)生亞晶界結(jié)構(gòu)出現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換,即亞晶界位錯(cuò)矢量方向發(fā)生改變,隨后出現(xiàn)亞晶界反向往回運(yùn)動(dòng),最后與另一列返回的亞晶界相向靠近,相互作用,引起位錯(cuò)分解,轉(zhuǎn)變成“之”字形的亞晶界,然后湮沒(méi)消失.整個(gè)亞晶界遷移過(guò)程隨之結(jié)束。(4)對(duì)高溫應(yīng)變下位錯(cuò)組態(tài)和位錯(cuò)的增殖和湮滅過(guò)程的演變進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):局部晶界預(yù)熔(GBPM)發(fā)生在溫度接近固液共存點(diǎn),應(yīng)變下軟化晶體相域(SCPD)容易增殖,位錯(cuò)通過(guò)滑移也容易旋轉(zhuǎn)和湮滅。SCPDs在應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)連接和互相融合,但它們并不湮滅或消失。在兩SCPDs之間相互作用的本質(zhì)是SCPD內(nèi)原子陣列層(AAL)的相對(duì)滑動(dòng),這使得施加應(yīng)變誘導(dǎo)位錯(cuò)組態(tài)變化和位錯(cuò)產(chǎn)生和湮滅。在SCPD內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)的演化和在高溫塑性變形下位錯(cuò)由周期動(dòng)態(tài)回復(fù)(CDRV)控制的微觀機(jī)制可以很好的由改進(jìn)的KM模型揭示。
[Abstract]:In recent years , the research of metal materials , especially the evolution of microstructure evolution of metallic materials , is a remarkable focus . Metal material is an important material basis for human social progress . It has been found that the microstructure of metal materials is very important . The results and conclusions are as follows : ( 1 ) With increasing dip angle ( from 2 擄 to 5 擄 ) , the free energy can be increased as the angle increases ( from 2 擄 to 5 擄 ) . In this paper , we have found that the grain boundary premelting ( GBPM ) occurs at the temperature close to the solid - liquid co - existence temperature , and the sub - grain boundary is transformed into a complete single crystal . The sub - grain boundary pre - melting ( GBPM ) occurs at the temperature close to the solid - liquid coexistence point , and the dislocation is transformed into a complete single crystal .

【學(xué)位授予單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU51
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本文編號(hào)：1884215