相场方法模拟硬质颗粒对两相晶粒长大的影响

将多序参量的两相相场模型推广到含硬质颗粒的三相体系,建立包含第三相硬质颗粒的两相晶粒长大的热力学模型,运用扩散界面场变量动力学方程组模拟含第三相硬质颗粒的两相晶粒长大过程,研究两相晶粒长大的钉扎特点和晶粒长大的生长指数。结果显示,弥散分布的硬质第三相颗粒对基体组织的晶界具有钉扎作用,当第三相颗粒体积分数较大时,晶粒半径很快趋于稳定值。该模型能够反映第三相粒子对两相晶粒长大过程的影响,与现有的相关理论吻合。     

无取向电工钢脱碳组织的动力学分析

无取向电工钢两相区脱碳退火获得柱状铁素体晶粒可有效改善材料组织的均匀性.本文从动力学角度分析柱状晶的生长过程.柱状晶的形成分为“形核”和定向生长两个阶段,其中定向生长过程本质上是反应扩散和再结晶长大共同引起的界面迁移,且在动力学上符合抛物线规律,但其生长速率与退火温度之间并非呈单调的变化关系,而是在900℃时呈极大值.最后结合柱状晶生长速率的导出公式得到柱状晶“晶核”的尺寸约束条件,这对实际生产过程中无取向电工钢脱碳工艺的设计有一定的指导意义.     

外加入第二相颗粒对钢铁材料组织性能的影响

综述了外加颗粒对钢铁材料组织性能的影响,对钢铁中第二相颗粒的内部析出法和外部加入法的差异进行了简单概述。分析了第二相颗粒对钢铁材料的积极作用及不利影响,概述了钢铁材料中外加颗粒的选取原则、尺寸控制、加入量和加入方法等,提出了今后的研究方向。     

定向凝固制备多晶硅柱状晶的研究

为了控制定向凝固过程中柱状晶的稳定生长,结合真空定向凝固技术,在一定的工艺参数下,利用真空定向凝固设备成功制备出具有单向凝固组织的多晶硅材料,通过对制备的多晶硅锭从纵截面和不同位置横截面的微观组织进行研究,分析得出了定向凝固过程中多晶硅垂直于底部的柱状晶和大晶粒形成的最佳工艺参数,通过X射线衍射检测,显示晶体择优取向为<111>面,文章还利用晶粒淘汰机制和柱状晶合并机制合理解释柱状晶体长大过程.     

定向凝固过程中柱状晶的生长机制

为了控制定向凝固过程中柱状晶的连续稳定生长,将真空感应熔炼与连续定向凝固技术相结合,开发出真空连续定向凝固技术。在一定的工艺参数下,在自制的定向凝固设备上成功制备出具有单向凝固组织的直径8mm的Al-1%Si合金棒材。通过对棒材不同位置的微观组织进行研究,分析了连续定向凝固过程中柱状晶形成和长大过程。结果表明:凝固过程开始阶段,新晶粒的出现阻碍原晶粒生长,使晶体呈现一种新的有序结构;柱状晶长大过程中受到晶粒淘汰机制和柱状晶合并机制的综合作用。     

自适应有限元法对合金定向倾斜枝晶生长的相场法模拟

建立了合金定向倾斜枝晶生长的相场模型,采用非均匀网格的自适应有限元法求解薄界面层厚度条件下的相场模型,研究了Al-Cu(w(Cu)=4%)合金的倾斜枝晶演化过程,定量分析了冷却速率、主晶间距对凝固组织的影响.结果表明:冷却速率、主晶间距和抽拉速度可以控制倾斜枝晶的生长角度,随着冷却速率的增加,枝晶的生长会偏离择优取角向温度梯度方向偏转,反之主晶间距和抽拉速度增大,枝晶的生长角度逐渐从温度梯度方向朝着晶体择优方向偏转.此外,自适应有限元法相较于均匀网格法在CPU的运行时间上降低了一个数量级,并且随着计算域的增大,自适应有限元法的计算效率越高.     

Nd-Fe-B 包晶合金的定向凝固组织及相选择

对 Nd11.76Fe82.3B5.88包晶成分和 Nd13.5Fe79.75B6.75过包晶成分合金进行了高梯度定向凝固和激光快速定向凝固实验,研究了 Nd-Fe-B 合金组织形成及相选择与凝固参量(温度梯度 G,生长速度 V,合金成分 C0)之间的对应关系.针对包晶相为无固溶度的化学计量比结构的 Nd-Fe-B 合金体系,讨论计算了合金定向凝固过程γ-Fe及包晶T1相的界面温度随生长速率的变化,获得了 Nd-Fe-B 合金定向凝固相/组织选择图,确定了合金凝固中各相及生长形态转化的条件.Bridgman定向凝固实验中,随着抽拉速率的增加,T1相由平面/小平面向枝晶形貌转变;Nd13.5Fe79.75B6 75合金的激光实验中,凝固速率由4.4～5.0 mm/s时,领先析出的组织由γ-Fe 枝晶转变为 T1 相枝晶.实验结果与理论计算给出的相/组织选择图吻合较好.     

Nd-Fe-B包晶合金的定向凝固组织及相选择

对Nd11.76Fe82.36B5.88包晶成分和Nd13.5Fe79.75B6.75过包晶成分合金进行了高梯度定向凝固和激光快速定向凝固实验,研究了Nd-Fe-B合金组织形成及相选择与凝固参量(温度梯度G,生长速度V,合金成分C0)之间的对应关系.针对包晶相为无固溶度的化学计量比结构的Nd-Fe-B合金体系,讨论计算了合金定向凝固过程γ-Fe及包晶T1相的界面温度随生长速率的变化,获得了Nd-Fe-B合金定向凝固相/组织选择图,确定了合金凝固中各相及生长形态转化的条件.Bridgman定向凝固实验中,随着抽拉速率的增加,T1相由平面/小平面向枝晶形貌转变;Nd13.5Fe79.75B6.75合金的激光实验中,凝固速率由4.4~5.0mm/s时,领先析出的组织由γ-Fe枝晶转变为T1相枝晶.实验结果与理论计算给出的相/组织选择图吻合较好.     

考虑粒子阻碍效应的再结晶元胞自动机模型

为了更合理地仿真第二相粒子材料的再结晶过程,在单相材料再结晶元胞自动机模型中引入Zener亚晶长大阻力和小粒子钉扎晶界的元胞取向转换规则,创建了细小的第二相粒子材料的再结晶元胞自动机模型,实现了铁素体钢板的再结晶退火过程仿真.结果表明:所建模型全面考虑了变温-回复、晶粒变形储能不均、亚晶异常长大形核机制和小粒子阻碍效应的综合影响,模拟的组织演变及其动力学分析揭示了与理论和实际相符的规律:小粒子尺寸越小、数量越多,再结晶抑制效应越强,再结晶的孕育期及过程越长.     

金属箔材轧制过程中第二相颗粒的尺寸效应研究

金属箔材轧制时,箔材的厚度最小为几个微米.微米级甚至是亚微米量级尺寸的第二相颗粒都可能对基体的力学性能,甚至是箔材的表面形状造成影响.相对于基体而言,颗粒的软硬程度及其大小对轧制过程中箔材的影响是截然不同的.该文通过有限元模拟的方法研究了单个的硬质及软质第二相颗粒对箔材基体性能及形状的影响.论文中引入参量：颗粒直径/箔材厚度比(以下简称d/T).结果表明,箔轧时,相较于硬质颗粒而言,不同尺寸的软质颗粒对箔材的影响较大.第二相颗粒为软质颗粒时,应力集中程度及箔材表面变形程度随着颗粒尺寸的增大而增大,当d/T小于1/20时,第二相颗粒周边基体应力集中现象不明显;当d/T为1/20～1/5时,应力集中比较明显,箔材表面发生轻微变形;当d/T大于1/5时,基体中应力集中明显,箔材表面变形严重.第二相颗粒为硬质颗粒时,随着d/T的增加应力集中现象越不明显,基体表面几乎没有变形.     

三叉晶界迁移的晶体相场研究

【目的】研究三叉晶界对晶界迁移的影响。【方法】采用晶体相场(Phase Field Crystal,PFC)方法模拟包含一个环形晶粒的三晶系统中三叉晶界的迁移过程。【结果】环形晶粒在演化过程中不断收缩,三叉晶界迁移具有自相似性;三叉晶界迁移速率与晶界曲率成正比。【结论】三叉晶界对晶界迁移有拖曳作用,且晶界曲率越小,拖拽作用越明显。     

缺陷预熔化现象的晶体相场模拟

【目的】研究外应变作用下BCC晶体中晶界和位错的预熔化现象,揭示晶界预熔化的机理。【方法】构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用项的三维体系自由能函数,并建立以温度为主要参数的晶体相场模型,模拟三维情况下某一平面的晶界和位错的预熔现象。【结果】随着温度的升高,位错熔解的区域不断扩大,在接近熔点温度时晶界处的位错首先诱发晶界出现预熔化现象;当熔解趋于稳定后,在应力作用下,开始出现位错滑移现象,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终湮没变为一个完整晶界。【结论】体系的温度影响并决定位错的熔解。体系温度越高,位错处的熔解就越容易进行。     

变形晶粒三叉晶界迁移过程的晶体相场模拟

【目的】研究纳米多晶材料受力变形过程中微观结构(如内部晶界,位错等)的演化过程,揭示纳米多晶材料受应力作用的微观机理。【方法】通过晶体相场(Phase field crystal,PFC)模型,模拟多晶样品在外加应力作用下的变形过程,分析内部畸变能的变化情况。【结果】在外加双轴动态加载作用下,当应变较小时,样品中的晶粒没有发生较大的变形,以位错沿着晶界运动为主。随着应变的增加,样品开始出现晶粒旋转、晶粒吞并、大小角晶界迁移运动、三叉晶界发射和接收位错等现象。晶界释放位错有助于减少晶界表面能;吸收位错则增加了晶界表面能。【结论】晶体相场方法可以有效模拟多晶体材料塑性变形过程的微观结构演化。     

空位晶体相场模型模拟二维晶体相形貌图

[目的]揭示空位晶体相场模型(VPFC)中二维周期性晶体相空位缺陷结构形貌。[方法]对标准晶体相场模型的自由能函数进行修正得到空位晶体相场模型,再利用空位晶体相场方程,研究二维相图中不同相晶体结构形貌图,以及晶体结构中出现空位的条件。[结果]当平均原子密度数值位于不同晶体相时,呈现出不同的二维周期性晶体结构形貌图。[结论]将晶体结构形貌图与其原子密度曲线对照,可见该模型中晶体相结构主要有六角"凸起"相、条状相和六角"凹坑"相。当平均原子密度数值位于相图中局部粒子相和六角"凸起"相之间时,二维周期性晶体结构中将出现空位,并且晶粒内部空位随机分布,空位数目与原子密度值有关。     

小角对称晶界及亚晶界湮没过程的晶体相场模拟

【目的】研究六角相的位错相互作用的情况,以揭示其运动及能量变化规律。【方法】采用晶体相场(Phase-Field Crystal,PFC)模型,模拟小角对称双晶所形成的晶界及亚晶界在应力作用下的湮没机制,并从位错运动及能量变化角度分析该机制。【结果】亚晶界运动分为3个阶段:第一阶段是体系能量增加,反映了位错的攀移和滑移过程,以及生成的亚晶界迁移;第二阶段是体系自由能量降低的阶段,反映了亚晶界位错相互之间靠近吸引,发生湮没的过程;第三阶段是重复前两个阶段,最后位错全部湮没消失,形成完整单晶。【结论】PFC模型能较好地用于研究六角相双晶在施加应力作用下由位错形成的晶界(包括亚晶界)的运动。     

晶界萌生裂纹扩展的晶体相场模拟

【目的】研究双晶样品在单轴拉伸应变作用下所发生的纳米微观尺度裂纹扩展运动,观察裂纹扩展特征,揭示位错对裂纹扩展的作用规律。【方法】应用晶体相场(PFC)方法模拟裂纹扩展演化及其位错运动。【结果】在位错没有发射之时,裂纹沿位错对柏氏矢量方向解理扩展,发射位错后裂尖沿顺时针旋转60°继续扩展。【结论】晶界滑移出的位错由于周围应力集中,萌生出微裂纹。在裂纹扩展中,裂纹与位错相互作用,可以有多种形式。     

条状晶位错运动的晶体相场模拟

【目的】研究条状晶内不同矢量位错相互作用的情况,以揭示其运动和能量变化规律。【方法】采用晶体相场(PFC)模型,模拟4块取向差较小的条状晶所形成的4条亚晶界在应力作用下的湮没机制,并从位错运动和能量变化角度分析该机制。4条亚晶界中,2条是对称倾侧亚晶界,2条为非对称倾侧亚晶界结构。【结果】取向差较小的条状晶所形成的晶界为亚晶界,亚晶界上双位错组的数量由相邻两晶粒的取向差的大小决定;而在应力作用下,亚晶界的湮没过程主要有3个阶段:位错攀移及体系能量升高的第1阶段,位错分离及体系能量下降的第2阶段,位错相互作用及体系能量波动升高的第3阶段;由于存在非对称倾侧亚晶界,整个湮没过程比对称倾侧亚晶界的湮没过程较复杂一些。【结论】位错的相互作用存在4种情况:两位错相向运动,当位错矢量方向完全相反且在同一直线上时,相遇后发生湮没;位错相向运动,但运动方向不在一条直线上且距离较近,则可以相互吸引,最后依然可以湮没;如果运动方向不在一条直线上且距离较远,则无法相互吸引,它们只会朝着各自的运动方向继续运动;如果运动方向在一条直线上,但是位错方向不完全相同,它们相遇后不会湮没,而是组合形成一个复合位错。     

二维大取向角对晶界湮没过程的晶体相场模拟

【目的】针对大角正方相晶界的位错结构,揭示在外应变下的位错运动和位错反应的微观机理。【方法】采用双模晶体相场(PFC)模型,模拟大角度取向角位错湮没过程。【结果】晶界上的位错是由4个位错组成1个位错对。晶界湮没有如下主要过程:开始时位错沿晶界攀移,随后晶界发生位错分解并发射,位错运动方式由攀移转为滑移;滑移位错与其他位错在晶内相遇发生湮没,其余晶界位错进行攀移,再次出现晶界位错分解发射位错,位错滑移穿过晶界内部,到达对面晶界处发生湮没。在这个过程中部分位错滑移与其他位错相遇会形成新的位错,同样继续进行攀移、分解、滑移进而湮没的运动。【结论】PFC模型能较好地用于研究大角度正方相的位错在施加应力作用下的运动。     

微裂纹起裂扩展机理的晶体相场模拟

【目的】研究初始晶向倾角为15°的样品分别在垂直和水平方向上,单轴拉应变作用下的纳观尺度裂口发射位错与裂纹扩展行为,了解韧性裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级韧性裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场(PFC)方法观察15°晶向倾角下位错发射与裂纹扩展演化图及其对应的应力曲线图。【结果】垂直和水平不同方向拉应变作用下裂纹扩展方向不同,但裂纹都是韧性断裂模式扩展;当单轴拉应变作用达到临界值时,样品裂口开始发射滑移位错,随着外应力的增大,位错在滑移过程中留下一系列空位,空位长大连通形成裂纹并与主裂口相连,裂纹随着位错运动而扩展。【结论】在韧性裂纹扩展中,位错发射的运动对韧性裂纹扩展演化有重要影响。     

晶体相场法模拟晶界萌生裂纹扩展机理

【目的】在纳米微观尺度下,双晶样品在单轴拉伸应变作用下萌生裂纹,观察并分析开裂时的特征,并结合对应自由能曲线及应变曲线总结裂纹扩展运动的规律。【方法】采用晶体相场(PFC)法模拟不同位错裂纹的演化图。【结果】在拉力作用下,自由能在晶体中慢慢积累。当自由能增加到某一临界值时,晶界位错开始萌生裂纹。但是拉力直接作用在晶体的两端,间接作用在各处位错是不均匀的,所以各个位错的自由能积累效率不相同,导致位错开裂出现3种情况。【结论】在拉力的持续作用下,不同位置的位错变化不相同,位错扩展变化或萌生裂纹具有不同时性。