固体中应力产生和消除空位及非平衡晶界偏聚

确定固体内如何产生和消除过饱和空位, 对于了解材料的许多物理过程是至关重要的, 如固态扩散、晶界偏聚和超细晶材料的晶界稳定性等. 晶界通常被认为是空位的源或阱. 但是, 在弹性应力场作用下, 晶界有何变化仍然是不清楚的. 提出了弹性范围内的压应力作用下晶界作为源会发射空位, 张应力作用时晶界作为阱会吸收空位. 这是除现在已公认的5种固体中产生和消除过饱和空位之外的第6种基本物理过程. 在此基础上, 建立了一套动力学方程, 模拟Misra等人的张应力时效实验结果, 证实了上述基本物理过程的存在.     

固体中应力产生和消除空位及非平均晶界偏聚

确定固体内如何产生和消除过饱和空位，对于了解材料的许多物理过程是至关重要的，如固态扩散、晶界偏聚和超细晶材料的晶界稳定性等。晶界通常被认为是空位的源或阱。但是，在弹性应力场作用下，晶界有何变化仍然是不清楚的。提出了弹性范围内的压应力作用下晶界作为源会发射空位，张应力作用时晶界作为阱会吸收空位，这是除现在已公认的5种固体中产生和消除过饱和空位之外的第6种基本物理过程。在此基础上，建立了一套动力学方程，模拟Misra等人的张应力时效实验结果，证实了上述基本物理过程的存在。     

溶质非平衡晶界偏聚的研究进展（Ⅰ）：热循环引起的非平衡偏聚和晶间脆性断裂

评述了溶质非平衡晶界偏聚理论的近20年来的发展，包括非平衡偏聚的临界时间概念和公式，热力学关系式和恒温动力学方程．作为这个理论体系的重要应用，讨论了钢的回火脆性和金属与合金的中温脆性的非平衡偏聚机理．     

氧化锆晶界设计—氧化物陶瓷晶界设计探索

从晶界空间电荷层及晶界相两方面分析了ＺｒＯ２的晶界设计问题，并指出降低晶界空间电荷层电阻可以通过具有效正电荷的添加剂在晶界空间电荷层中的偏聚而实现，而降低晶界相电阻可通过减少晶界相数量，改变晶界相形态及形成高导电性晶界相而实现，最佳的晶界设计效果，可通过晶界空间电荷层及晶界相的联合设计而实验。     

金属多晶体晶粒长大时晶界的迁移行为

为克服传统三维多晶体晶粒正常长大基本理论的缺陷,以棱边或角隅迁移带动晶界迁移的方式推导出了新的晶粒长大关系式.以凯尔文十四面体为晶粒的基本形状,分析了多晶体晶粒长大时棱边及角隅密度的变化规律及其对晶粒长大速度和迁移激活焓的影响.以实验Fe-3%Si合金为例,用新关系式对其晶粒长大过程进行了模拟计算.结果显示,棱边或角隅迁移带动晶界迁移所反映出的规律,尤其是角隅迁移,更接近真实晶粒的长大过程,传统关系式中的缺陷得到明显改进,所推算激活焓的变化趋势也与实际观察相符.新关系式尚未能考虑金属三维多晶体中第二相粒子及溶质原子的作用,因此与实际观察结果尚存差异,有待进一步完善.     

硼原子对电子结构的作用及其晶界偏聚行为——Ni3Al脆,韧…

用Ｘ射线光电子能谱研究了硼原子对Ｎｉ３Ａｌ的Ｎｉ２ｐ３／２结合能的作用及其晶界偏聚规律，结果表明，纯Ｎｉ３Ａｌ的Ｎｉ２ｐ３／２结合能的作用及其晶界偏聚规律，结果表明，纯Ｎｉ３Ａｌ的Ｎｉ２ｐ３／２结合能按下列顺序增加：Ｎｉ〈Ｎｉ７６Ａｌ２４〈Ｎｉ７４Ａｌ２６〈Ｎｉ７５Ａｌ２５，如硼则使Ｎｉ３Ａｌ的Ｎｉ２ｐ３／２结合能单调下降，另外，在Ｎｉ３Ａｌ中硼有平衡放非平衡性质相叠加的晶界偏聚行为，根据组成原子     

Fe-Mn-C合金中的C-Mn偏聚及其对相变和形变的影响

采用价电子结构理论计算、微观成分的实验测定和TEM原位动态拉伸变形试验,研究了Fe-Mn-C合金中的C-Mn偏聚及其对相变和形变的影响.结果表明,Fe-8Mn-1.2C合金奥氏体中含C-Mn晶胞的n_A值是不含C晶胞的3.98倍,是含C晶胞的1.40倍;含C-Mn晶胞的n_C~D值是含C晶胞的2.21倍;在Fe-Mn-C合金奥氏体中存在C-Mn原子的微观偏聚,并形成了由-C-Mn-C-Mn-强键络相联结的Fe-Mn-C原子团偏聚区;散乱分布于Fe-Mn-C合金奥氏体中的Fe-Mn-C原子团偏聚区能有效地束缚原子的运动、阻滞滑移系的启动和阻碍位错的运动,强烈影响合金的相交和形变行为.     

硼原子对电子结构的作用及其晶界偏聚行为——Ni_3Al脆、韧性的结合能位移判据

用X射线光电子能谱研究了硼原子对Ni_3Al的Ni2p_(3/2)结合能的作用及其晶界偏聚规律,结果表明,纯Ni_3Al的Ni2p_(3/2)结合能按下列顺序增加:Ni0时,材料呈脆性;当△E_B≤0时,则材料呈延性.结合上述实验规律该判据预测:纯Ni_3Al是脆性的,并且硼韧化Ni_3Al时存在化学计量效应和浓度效应.由此可为开发延性金属间化合物提供一个合金设计原则.     

SnBi／Cu界面Bi偏聚机制与时效脆性抑制

长期时效的SnBi／Cu界面出现的Bi偏聚导致的界面脆性大大限制了Sn．58Bi低温无铅焊料的使用，因此有必要在理解其产生机制的基础上研究抑制界面Bi偏聚及时效脆性的方法．本文首先根据SnBi／Cu焊接界面在液态反应（回流焊接）和固态时效过程中的Bi偏聚行为讨论了偏聚形成的机制，而后阐述了Cu基体合金化和回流温度对Bi偏聚行为的影响，并讨论了合金化抑制Bi偏聚的微观机制．此外还比较了SnBi／Cu和SnBi／Cu．X焊接接头的拉伸、疲劳性能和断裂行为，证明了在消除界面Bi偏聚之后SnBi／Cu界面在拉伸和疲劳载荷下均不会出现脆性断裂，最后基于以上理解提出了消除界面脆性的新工艺方法     

应力水平对3D C/C复合材料的弯弯疲劳损伤模式的影响

测定了3D C/C复合材料的弯弯疲劳寿命曲线以及疲劳加载过程中的载荷-挠度回滞曲线, 通过试件实物照片和SEM疲劳断口分析, 研究了在不同应力水平下材料的损伤模式. 研究结果表明, 3D C/C复合材料的弯弯疲劳极限为203 MPa, 应力水平为静弯曲强度的92%, 远高于2D C/C复合材料. 随应力水平的提高, 材料的疲劳载荷-挠度回滞曲线由弹性滞后环向非弹性滞后环转化, 挠度显著增加. 揭示了纤维与基体界面的滑动磨损在疲劳失效中起重要的作用, 应力水平的高低控制着这种滑动磨损的程度和速度.     

小变形冷轧高纯镍三叉晶界退火行为原位研究

采用电子背散射衍射技术研究了厚度减缩量为5%小变形冷轧高纯镍三叉晶界在800℃的退火行为.结果表明:退火初期,在某些三叉晶界处、尤其是至少包含两条一般大角度晶界的三叉晶界处产生了再结晶晶核,这些晶核均与基体成1 1 1/60°取向差关系,关联界面均为非共格Σ3晶界;在进一步退火过程中,这些晶核中的大部分被其他快速长大的晶粒所吞并,此类晶粒是样品中的原有晶粒,它们通过形变诱发晶界迁移的方式快速长大,并在长大过程中激发出大量Σ3n(n=1,2,3…)等重位点阵晶界.分析认为,退火初期,小变形高纯镍三叉晶界处产生与基体成非共格Σ3界面关系的晶核只是起到了释放该处应变集中的作用,对进一步退火过程中晶界特征分布的演化没有本质影响.     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明，这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比，并进一步得到断口的穿晶断裂百分比，从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

非平衡凝固条件下耦合弛豫效应的M-S理论

以扩展不可逆热力学为基础, 针对非平衡凝固过程中界面前沿液相中非平衡溶质扩散造成的弛豫效应, 对界面稳定性动力学M-S理论进行了修正. 发现在稳态条件下弛豫效应改变液相中的浓度场, 因而影响界面的稳定性. 通过界面前沿液相溶质浓度与温度的耦合关系, 综合考虑动力学过冷度以及与固液界面移动速率相关的液相线斜率等动力学因素的影响, 进而得到适用于非平衡凝固的平界面稳定性判据. 结果表明平界面的稳定性受与固液界面移动速率相关的液相线斜率影响, 但与动力学过冷度无关.     

裂尖前方纳米尺度的微结构及原子象研究

用STM研究了石墨表面微裂纹前方纳米尺度的微结构的特征 .结果表明 ,STM的针尖和样品之间的互作用力能引起空位团的产生和迁移 ,从而导致裂纹扩展 .在加载条件下 ,用AFM研究了云母加载裂尖的微结构和原子排列 .发现云母表面加载裂尖前方存在一个约 1 0nm宽的高畸变区 ,它被一个约 1 1 0nm的异常弹性区所包围 .另外还观察到 ,在高畸变区中存在有许多小空位片 .     

EDA介质中地震波速度、衰减与品质因子方位异性研究

通过考察EDA介质中应力应变关系 ,建立了EDA介质中考虑非弹性效应的地震波动方程组 .其中 ,裂隙引起的非弹性效应体现在波动方程组中位移分量关于时间t的三次导数项上 .通过平面波位移函数解 ,研究了EDA介质中地震波速度、衰减与品质因子Q值的方位各向异性 ,并分别对干裂隙与饱含水裂隙两种情形下EDA介质中地震波速度、衰减与Q值随波频率与传播方向的变化关系进行了探讨 .研究结果说明 ,裂隙的存在以及裂隙内所含物质内容对地震波速度、衰减与Q值及其各向异性特别是两类qS波衰减或品质因子比值具有重要的影响 ;低频时 ,EDA弹性效应占主导地位 ;高频时非弹性效应愈加不可忽略 .     

纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟

用分子动力学技术, 结合分析型嵌入原子方法模拟计算了平均晶粒尺寸为2.86~7.50 nm的纳米晶体钒的微观结构及其热稳定性. 用原子键对分析技术区分了晶粒与晶界原子, 发现晶界原子所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高, 晶体中原子的平均能量要较普通单晶的高. 从原子平均势能、晶界原子比率以及径向分布函数随温度的变化关系得出纳米晶体钒的热稳定温度, 发现随晶粒尺寸的减小纳米晶体钒的热稳定温度明显降低. 最后还讨论了引起这种热稳定温度降低的原因.     

合金化元素Nb在铁 γ 相中的占位倾向及对晶界的影响

利用密度泛函理论框架下的离散变分DV和DMol方法, 根据单杂质固溶模型和结构缺陷复合模型, 研究了微合金化元素Nb在铁 γ 相中的作用. 分别计算了合金化元素Nb在晶体内、晶界和表面的杂质形成能, 结果表明: 与在体内占位相比, 晶界更适合Nb元素占据. Nb在晶界和在表面上的杂质形成能之差为 -0.39 eV < 0, 根据Rice-Wang热力学模型可以判定, Nb在铁 γ 相中可增强晶界结合. 原子间相互作用能和电荷密度计算表明, 当Nb原子占据晶界位置时, Nb与周围的相互作用减弱, 距Nb原子较近的跨晶界的基体原子间的相互作用加强, 从而使得晶界迁移变得困难, 在电子层次解释了Nb在铁 γ 相晶界上的拖拽作用     

钢的氢致沿晶断裂理论

氢通过应力诱导扩散富集在晶界降低沿晶裂纹形核表面能;与此同时通过氢促进局部塑性变形使应变局部化,从而降低塑性变形功.由此可导出氢致沿晶断裂规一化门槛值(K_(IH)/K_(IC))~2=1-0.162×10~(-3))β_HCσ(H)G_H/(2r_S-r_b-0.16×10~(-3).∑β_iC_iG_i),其中β_H和β_i是氢和其他元素在晶界的富集系数,Cσ(H)是应力诱导扩散富集的氢浓度,C_i是钢中各元素平均浓度,G_H和G_i是氢和其他元素的沿晶断裂功参数,r_s是Fe的表面能,r_b是Fe的晶界能.对油管钢,实验测出K_(IH)/K_(IC)=0.26.根据实验测出的β_i值,按上式所算出的K_(IH)/K_(IC)=0.23,这与实验值基本一致.     

一维拉伸的本构方程不能直接推广处理二维胀形的力学问题

超塑性成形已经在形状复杂、尺寸精度高的零部件加工中得到广泛的应用, 并有良好的发展前景. 然而, 超塑性成形均处于多向应力状态. 但是, 长期以来, 均把单向拉伸的本构方程直接推广处理多向的理论问题. 这在定量处理中是否正确, 亟需理论证明. 首先简述了超塑性一维拉伸和二维胀形变m值本构方程的建立, 并结合从连续介质塑性力学基本理论所导出的自由胀形的等效应力σ 和等效应变速率 的解析式, 分别用拉伸和胀形的本构方程导出了超塑自由胀形最佳加压规律的解析表达式. 进而结合典型超塑性合金ZnAl22实验数据进行了定量比较. 结果判明, 不能把单向拉伸的本构方程直接推广处理二维胀形的定量力学问题, 处理胀形的定量力学问题, 必须用在胀形应力状态下建立的二维胀形的本构方程.     

波浪作用下粉土特性分析*

利用弱非弹性介质模型,推导了波浪作用下有限深海床内部孔隙水压力、应力以及土骨架和孔隙水位移关系.针对3种海洋土,分析了土床内孔隙水压力、应力、应力角、位移的分布以及弹性波随加载波周期的变化.结合前人的实验结果,讨论了在粉土质海床中所呈现的共振现象.从理论上探讨了该现象发生的力学机制,提出了土床中硬土层的存在是决定土床中是否可能发生共振的必要条件,并且可以预测共振发生的可能区域.