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

【摘要】：近年來,對金屬材料的研究,尤其是金屬材料微觀缺陷結構演化問題的研究,是引人注目的焦點。金屬材料是人類社會進步的重要物質基礎,它的發(fā)展,能顯著提高社會生產(chǎn)力,改善人們的生活水平。隨著時代的發(fā)展,人們對金屬材料的性能的要求也越來越高。研究結果表明,金屬材料的性能與其微觀組織的結構關系十分密切,金屬的微觀結構尤其是其中的微觀缺陷,對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其性能的影響因素,就可以通過精確的控制材料的微結構以提高金屬的性能。目前,人們通過兩種方式研究材料的微觀結構:一是實驗觀測,二是計算機模擬。由于實驗觀測要求的條件苛刻和成本的高昂,人們無法僅利用實驗手段來在微納觀層次研究材料的微結構的演化特征,這時,計算機的模擬就顯得尤為重要。隨著計算機和計算技術的飛速發(fā)展,涌現(xiàn)出許多很實用的計算方法,例如,分子動力學方法、自動元胞機法、相場方法等,其中,晶體相場方法(Phase field crystal method)由于其特有的深刻的物理思想而成為最強有力的計算模擬方法之一。本文用晶體相場法研究了金屬材料微觀缺陷結構的演化對性能的影響,在如下幾個方面做出了創(chuàng)新工作:(1)采用先進的晶體相場法,在擴散時間尺度和原子空間尺度內模擬了異質外延生長過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;(2)基于傳統(tǒng)的密度泛函理論,提出帶直接相關函數(shù)類型的無量綱自由能泛函模型,得到改進的PFC模型,用此改進的PFC模型,研究了不同預應變水平、不同原子列傾角的系統(tǒng)在單軸拉伸下納米級裂紋萌生和擴展的演化過程;(3)用同上述改進了的PFC模型,觀測并研究了在外加應變下,初始晶界預熔(GBPM)區(qū)域長大成更大面積的軟化晶體相域(SCPD),還觀測到了位錯的交互作用,包括位錯對的增殖,位錯對的旋轉和它們的湮滅。還看到SCPD的形狀隨著外加應變的增加而改變。經(jīng)過系統(tǒng)的研究和探索,取得的主要結果和結論如下:(1)對一定襯底上異質外延過程的界面形貌演化的研究發(fā)現(xiàn),對于不同錯配度的系統(tǒng),演化過程中,錯配度越小,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,隨著傾角的增加(由2°增加至5°),至模擬結束,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,可以適當增加襯底的傾角。在襯底曲率半徑為凸界面時,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,可以適當減小襯底的傾角。(2)采用晶體相場法研究不同初始條件,y軸施加單向拉伸時微裂紋的擴展行為,發(fā)現(xiàn):樣品大都在應變量達到0.138時開始起裂,不同初始條件導致起裂的應變量稍有不同。沿x軸預拉伸的樣品,呈擴展-鈍化-擴展的長大特征,沿y軸預拉伸的樣品,后期都出現(xiàn)較長的解理裂紋擴展。各種情況下,應力-應變曲線先都增加,在拉伸應變量達到0.138以后裂紋擴展,對應的曲線達到峰值,隨后曲線下降,直至模擬末期,整個應力-應變曲線圖呈一凸形峰。本文的應力-應變曲線變化規(guī)律與實驗的曲線規(guī)律相符。(3)對預熔晶界位錯的組態(tài)及演化的研究發(fā)現(xiàn):對于不靠近固-液共存溫度的高溫預熔化樣品,施加外應變,晶界處的晶格位錯發(fā)生滑移運動,具有相反Burgers矢量的位錯的亞晶界相向運動,最后發(fā)生亞晶界相遇湮沒,雙晶轉變?yōu)橥暾麊尉�。對于靠近�?液共存溫度的高溫預熔化樣品,在應變下生成的亞晶界相向運動,當靠近到一定距離時,形成位錯對偶極子,偶極子的2個位錯預熔化區(qū)域開始擴張、連通、合并,形成近似棒狀區(qū)域.這一過程發(fā)生了不同類型的位錯相互作用,出現(xiàn)了位錯對萌生、形核和增殖,位錯對的滑移和湮沒,由此引起了位錯的Burgers矢量方向的改變和位錯類型交換。然后發(fā)生亞晶界結構出現(xiàn)二次轉換,即亞晶界位錯矢量方向發(fā)生改變,隨后出現(xiàn)亞晶界反向往回運動,最后與另一列返回的亞晶界相向靠近,相互作用,引起位錯分解,轉變成“之”字形的亞晶界,然后湮沒消失.整個亞晶界遷移過程隨之結束。(4)對高溫應變下位錯組態(tài)和位錯的增殖和湮滅過程的演變進行研究發(fā)現(xiàn):局部晶界預熔(GBPM)發(fā)生在溫度接近固液共存點,應變下軟化晶體相域(SCPD)容易增殖,位錯通過滑移也容易旋轉和湮滅。SCPDs在應變增加時連接和互相融合,但它們并不湮滅或消失。在兩SCPDs之間相互作用的本質是SCPD內原子陣列層(AAL)的相對滑動,這使得施加應變誘導位錯組態(tài)變化和位錯產(chǎn)生和湮滅。在SCPD內位錯組態(tài)的演化和在高溫塑性變形下位錯由周期動態(tài)回復(CDRV)控制的微觀機制可以很好的由改進的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 .

【學位授予單位】：廣西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU51
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本文編號：1884215