金属材料多维度微观缺陷的晶体相场法研究

《金属材料多维度微观缺陷的晶体相场法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、国内图书分类号：TG111.2西北工业大学工学博士学位论文金属材料多维度微观缺陷的晶体相场法研究博士研究生：胡石导师：陈铮教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年10月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TG111.2DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyPhase-field-crystalStudyonMulti-d

2、imensionalMicroscopicDefectsinMetalMaterialsPh.DCandidate：HUShiAdvisor：ProfessorCHENZhengDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：October,2017UniversityConferringDegree：Northweste

3、rnPolytechnicalUniversity摘要摘要随着社会的发展与进步，传统材料的性能已难以满足人类的需求。在材料科学逐步建立起来之后，人们意识到晶体微观缺陷对金属材料的性能具有十分重要的影响，如何探明金属材料的微观演化行为成为了重要课题。因此，对金属材料内部微观缺陷进行深入研究具有极为重要的意义。然而传统实验方法具有较大的局限性，在计算机科学飞速发展的时代背景下，计算材料模拟成为了研究材料微观缺陷的一种重要替代方法。本文利用近些年来发展起来的晶体相场模型对金属材料多维度微观缺陷进行了研究，深入讨论了不同应变条

4、件下各类缺陷的演化过程与微观机制。文中分别利用单模和双模晶体相场模型对剪切应变下晶界的耦合迁移与微裂纹的阻碍作用、等面积应变下晶界的迁移与异号刃位错反应、剪切应变下微裂纹的扩展以及恒定拉伸应变下晶界微裂纹的萌生与扩展等内容进行了研究。在剪切应变作用下，晶界的切向滑移与法向迁移之间能产生耦合效应，但是对称与非对称倾侧晶界的具体演化机制并不相同。另外，考虑到材料中微裂纹的存在难以避免，因此有必要研究微裂纹对晶界耦合迁移的影响。模拟结果表明微裂纹对晶界耦合迁移的影响可以分为三类：(1)晶界绕过微裂纹而未受到阻碍，裂纹形貌几乎

5、维持不变；(2)微裂纹阻碍晶界迁移，裂纹沿晶界迁移并能够愈合；(3)晶界迁移被微裂纹阻碍，裂纹沿晶界扩展变大。以上三类结果对晶界的晶界角和倾侧角具有较大的依赖性。此外，晶界耦合迁移也可以导致晶粒生长，文中对剪切应变诱导的晶粒生长过程同样进行了模拟。由于微裂纹可以阻碍晶界耦合迁移，剪切应变诱导的晶粒生长也能被微裂纹所阻碍。在高温等面积应变条件下，非对称倾侧晶界体系通过位错滑移与攀移变成完整晶体结构。在此过程中出现了同滑移面与异滑移面异号刃位错反应。本文从结构与能量的角度对异滑移面异号刃位错反应机制进行了讨论。模拟结果表明

6、，不同于同滑移面异号刃位错反应，异滑移面异号刃位错既能够发生湮灭也能够反应生成垂直方向上新的异号刃位错。如果由位错的多余半原子面在滑移面之间区域所产生的内应力与外部施加应力方向相反，则在位错的逼近过程中，局域自由能密度曲线具有明显的峰值结构。当自由能密度达到最大时，异号刃位错反应生成垂直方向上新的异号刃位错。反之，如果多余半原子面所产生的内应力与外部施加应力方向相同，则局域自由能密度曲线变化平缓，没I摘要有形成明显的峰值结构，异号刃位错发生湮灭。微裂纹在剪切应变的作用下能够发生扩展。本文通过在面心立方单晶体中的(111

7、)晶面中心处预制一个微裂纹来对微裂纹的剪切扩展机制进行探讨，并分析了不同因素对微裂纹扩展行为的影响。模拟结果证明微裂纹形状可以影响微裂纹扩展的启动。含有尖锐内角的微裂纹，其扩展可以较早发生。此外，微裂纹形状也能影响微裂纹扩展的方向。改变外加剪切应变速率可以相应地改变微裂纹扩展的速率，提高剪切速率可以促进微裂纹扩展，但是对具体扩展过程没有影响。初始晶体取向角对微裂纹的扩展模式与形貌也有较大的影响，但微裂纹最终都扩展成锯齿状。微裂纹的萌生与扩展行为可以导致晶体材料的解理。本文对恒定拉伸应变下晶界微裂纹的演化过程与机制进行了

8、研究。在密排六方双晶体的(0001)晶面上施加恒定双轴拉应变后，裂纹开始在晶粒间的晶界末端萌生。在此裂纹萌生机制下，晶界角可以极大地影响裂纹的萌生与扩展过程。随着晶界角的增加，裂纹萌生得到促进并且随后的裂纹扩展模式由穿晶扩展变为沿晶扩展。体系的温度和外应变的大小也能对裂纹的萌生扩展产生影响。辅以断裂力学理论，对温度和外应变的影响进