晶体弹性行为的晶体相场模拟

【目的】研究晶体相场模型中的弹性相互作用过程。【方法】通过连续的密度场,采用晶体相场模型提取和跟踪每个原子在时间演化过程中的位置,再通过求解PFC方程,并运用原子的位移来构建晶体的弹性能。最后通过调优波动参量和阻尼参数β,获得晶体的弹性及粘弹性行为特征。【结果】当β=0.9时,在力F的作用下,晶体响应是有弹性的。位置距离越远,其对应的应变越大,位移变化与原子对应位置大致成正比,具有弹性关系;当β=9时,在力F的作用下,位移变化与原子对应位置服从粘弹性响应关系。通过调优波动参量和阻尼参数,获得晶体的弹性及粘弹性行为特征。【结论】改变阻尼参数β后,可以采用晶体相场模型模拟晶体的弹性及粘弹性行为。     

晶界位错运动的空位晶体相场模拟

【目的】研究不同形式的应力对位错运动形式的影响。【方法】通过添加空位自由能项修正晶体相场模型(Phase-field-crystal model,PFC model),得到空位晶体相场法模型(Vacancy phase-field-crystal model,VPFC model),并采用VPFC模拟小角度晶界(Grain Boundary)在外加单方向应力作用下的变形过程。【结果】在外加单方向应力作用下,小角度晶界位错组作攀移运动时系统自由能增加,位错组滑移时出现系统自由能下降和位错反应等现象。x方向拉应力促使位错发生负攀移,压应力促使位错发生正攀移。【结论】VPFC模型可有效模拟晶界位错、空位等微结构演化过程。     

含氢空位氢化金刚石2维原子晶体体系与硫酸吲哚酚和水分子相互作用的第一性原理计算

基于立方金刚石晶体结构构建了2种2维原子晶体:氢化立方金刚石(hydrogenated cubic diamond, HCD)和含氢空位氢化立方金刚石(hydrogen vacancy-HCD, Hv-HCD);将含氢空位氢化立方金刚石与单层六方氮化硼(h-BN)和石墨烯(graphene, G)组装构建了2种2维原子晶体范德华异质结构:h-BN/Hv-HCD和G/Hv-HCD.根据第一性原理,对含氢空位氢化立方金刚石2维原子晶体体系、硫酸吲哚酚和水分子的Fukui函数进行了计算.研究结果显示,含氢空位氢化立方金刚石2维原子晶体体系的氢空位碳原子具有较大的f+(r)和f-(r)值,表明氢空位碳原子的亲电和亲核反应趋势较为显著.有关能量效应的计算结果表明:水分子与含氢空位氢化立方金刚石2维原子晶体体系的氢空位碳原子形成氢键;硫酸吲哚酚分子在氢空位碳原子位点发生化学分解,生成3-吲哚酮和二氧化硫,原磺酸基羟基与氢空位碳原子结合形成醇羟基.该体系可以作为基于2维原子晶体研发生物活性分子、人体血液毒素分子吸附清除以及检测分析核心材料的参考依据.     

相场法模拟第二相颗粒对柱状晶定向生长的影响

[目的]第二相颗粒的存在能影响晶粒的长大,提高材料的力学性能,因而我们用计算机模拟了含第二相颗粒的镍基合金材料在再结晶后的定向退火过程中的柱状晶生长。[方法]在相场法的基础上引入一个温度控制晶界运动的二维平面退火模型,使用该模型对含第二相颗粒的样品进行定向退火处理,观察退火过程中组织形貌的变化,并从第二相颗粒的含量和位置两个方面来讨论退火过程中第二相颗粒对柱状晶组织生长的影响,通过对柱状晶长宽比的统计来反应这些变化。[结果]定向退火处理可产生柱状晶结构;弥散分布的第二相颗粒的存在不利于柱状晶生长,并且含量越高柱状晶越粗,长宽比越小。[结论]第二相颗粒位置可以改变柱状晶晶界的形成方向,间距可以影响长宽比的大小,颗粒间的横向间距和纵向间距都存在一个临界值使柱状晶的长宽比最大。     

OⅡ空位BaZrO3晶体的第一性原理研究

利用第一性原理对BaZrO3块材的OⅡ空位进行研究.由于存在OⅡ空位,O原子分别与Zr原子和Ba原子发生相互作用,原子弛豫改变晶体的结构,从而使晶常数格a,b和c各不相同.因此,通过对布居数、态密度和能带进行分析,证明OⅡ空位使BaZrO3晶体结构发生了改变.     

OⅡ空位对PbTiO3晶体影响的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下,利用超软赝势(USP)对理想PbTiO3晶体(以下简称理想晶体)和OⅡ空位PbTiO3晶体(以下简称OⅡ晶体)的电子云重叠布局数、态密度和能带分布等进行自洽计算.结果显示:OⅡ晶体与理想晶体相比能带向低能方向移动,而且在费米面附近O原子的2p轨道和Ti原子的3d轨道存在明显杂化,这种杂化是PbTiO3晶体保持铁电性的主要原因.氧空位使OⅠ空位PbTiO3晶体(以下简称OⅠ晶体)的氧八面体发生畸变[1],但并没有改变OⅡ晶体的结构,说明OⅡ晶体结构更加稳定.     

剪切应力作用下位错运动的晶体相场模拟

【目的】研究剪切应变作用下晶体的位错攀滑移运动特征,揭示原子晶格势垒、剪切应变对位错运动特征的作用机理。【方法】根据位错滑移运动,构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用项的体系自由能密度函数,建立剪切应变作用体系的晶体相场模型,模拟位错攀移和滑移运动,计算临界应变。【结果】位错攀移克服的势垒大于滑移的阻力势垒;位错启动运动,存在临界的势垒;施加较大的剪切应变率作用,体系能量变化为单调光滑曲线,位错以恒定速度作连续运动,具有刚性运动特征;剪切应变率较小时,体系能量变化出现周期波动特征,位错运动是处于低速不连续运动状态。【结论】位错攀移和滑移运动特征与实验结果相符合。     

圆形缺口裂纹扩展的晶体相场模拟

【目的】研究初始缺口为圆形的样品在纵轴拉伸应力作用下起裂,并在样品裂纹扩展方向确定后,再加上横轴压力下裂纹的扩展情况。观察横轴压力对其扩展方向的影响,从而得出施加压力修复正在扩展的裂纹样品的模拟结果。【方法】使用晶体相场法(PFC)进行模拟,获得裂纹扩展的演变图。【结果】在纵轴拉应力条件下,应变在达到一定数值后圆形缺口开始发射位错和空位,位错向前运动;之后柏氏矢量相反的位错相遇并相互湮灭,没有湮灭的位错组合成位错对并产生裂纹;最后微裂纹之间、微裂纹与原始缺口之间相互合并。裂纹稳定地朝着横轴方向扩展,在此基础上施加横轴的压应力,发现左侧裂纹扩展方向发生两次改变,并往裂纹扩展方向发射位错。同时初始设置的圆形缺口也有形状变化,并往纵轴发射位错。【结论】晶体相场法能有效模拟晶体裂纹扩展的微观现象。     

二维声子晶体带隙影响因素研究

通过平面波展开法研究二维声子晶体能带结构的特性,并比较了六角与四方排列声子晶体中,不同填充比对禁带宽度的影响.通过数值计算,找到了W-Si体系声子晶体中可以获得最宽禁带的填充比与排列方式.     

UO_2核燃料中Xe气泡演化的相场模型与分析

在UO_2核燃料中,由于空位和Xe气体原子形成能较大,导致其在核燃料基体中的热平衡浓度极低,因此通过传统相场方法难以定量地研究UO_2中气泡的演化过程.本文针对这一问题,提出了一个定量的相场模型.根据热力学理论以及KKS模型推导出系统的自由能密度方程.利用该相场模型可以研究极低空位和Xe气体原子浓度下纳米尺度气泡生长演化过程.本文分别研究了空位和Xe气体原子产生速率以及温度和温度梯度对气泡演化的影响.研究发现在高温和高的空位以及Xe气体原子产生速率下气泡生长较快.纳米尺度的气泡在向高温区移动过程中沿温度梯度方向被拉长.同时模拟结果也证实了核燃料中心空洞的形成.基于本模型的模拟结果与经典速率理论以及实验观察一致.     

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。     

纳观尺度下不同晶向取向对裂纹萌生和扩展的影响

【目的】了解裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场法研究不同初始晶向倾角在y方向单轴拉伸作用下裂纹扩展演化、对应的应力分布及其应力曲线。【结果】当拉应变作用达到临界值时,无预应变的样品裂口开裂方式不同。5°与20°晶向倾角的样品裂口直接开裂,并伴随着位错出现。10°与15°晶向倾角的样品裂口先发射位错,裂口准备开裂。裂纹形成后,5°与20°晶向倾角的样品裂纹主要呈脆性断裂模式扩展。10°与15°晶向倾角的样品为典型的韧性断裂模式扩展。【结论】不同晶向倾角对裂纹萌生时间、扩展方向以及韧-脆扩展形式有重要影响。     

新稀土金属间化合物晶体结构及高温晶格热膨胀性能研究

[目的]研究稀土-过渡族金属合金体系中的新稀土金属间化合物,挖掘稀土合金与化合物的新应用。[方法]利用扫描电子显微镜和能谱仪分析合金样品及其组成物相的成分,采用X射线粉末衍射技术研究和测定新金属间化合物的晶体结构及高温晶格热膨胀性能,并对所研究的新金属间化合物的高温热膨胀性能进行总结分析。[结果]不同的合金元素可以形成结构类型相同的晶体结构,得到了部分新金属间化合物的晶格热膨胀系数,这些新稀土金属间化合物的平均晶格热膨胀系数在10~(-6)到10~(-5)数量级之间,它们的平均单胞体积热膨胀系数也在同一数量级。[结论]化学性质相近的合金元素可以相互替代形成同构型金属间化合物。利用X射线粉末衍射同构法可测定新化合物的晶体结构,该法适用于解析二元、三元乃至多元新化合物的晶体结构。所研究的新稀土金属间化合物的热膨胀系数分别满足其各自所属晶系的热膨胀关系。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。