α-Fe中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用的原子模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了α-Fe中Σ9[110](221)对称倾转晶界模型的剪切耦合迁移运动与晶内微裂纹的相互作用,讨论了在恒定剪切速率10 m·s~(-1)条件下,温度和合金原子Cr对两者相互作用的影响。模拟结果表明:在低温条件下,裂纹会在晶界耦合运动的作用下完全愈合,晶界则在裂纹的钉扎作用下发生弯曲。裂纹在晶界上的不对称固定在裂纹愈合的过程中起到重要作用,晶界的形态和结构均在吸收裂纹的过程发生变化,厚度也显著增大。裂纹的愈合过程伴随有位错的发射和运动,通过位错从裂纹尖端发射并运动至自由表面,可使裂纹不断变小乃至完全愈合。在发生剪切耦合晶界迁移的条件下,升温和添加Cr原子对裂纹愈合的影响有相似之处,两者都具有使裂纹愈合速率加快的作用。     

轧件内部裂纹的模拟实验方法与愈合行为

提出一种预置轧件内部裂纹的模拟实验新方法,即钻孔填充法,将其用于普碳钢中厚板内部裂纹的预置,并对其愈合行为进行轧制实验研究.研究了位于轧件中心、厚度方向三分之一处等位置的裂纹愈合情况.实验结果表明,压下率达到50%以上、开轧温度在1100℃时,内部裂纹可完全愈合;且位于轧件厚向中心位置裂纹的愈合程度好于其他位置,采用缓冷方式时裂纹的愈合程度好于空冷.对轧制过程中裂纹愈合的机理进行了分析,认为在轧制变形条件下,压应力状态为裂纹愈合提供了静力学条件,塑性变形过程中大量原子的定向运动,为裂纹愈合提供了物质补给条件,裂纹两侧的金属原子更容易找到新的平衡位置,形成统一的晶格点阵,从而实现裂纹愈合.     

内裂纹高温修复组织演化过程分析

针对大型锻件在生产过程中常因裂纹等孔隙性缺陷探伤超标导致改锻甚至判废的问题,采用辐射加热方式研究了低碳钢内部裂纹高温修复及组织演变过程。结果表明:温度为900℃时,裂纹附近富集析出铁素体,裂纹修复以原子的扩散迁移为主;1 000℃时,裂纹附近发生再结晶,裂纹间隙被大量细小的等轴铁素体晶粒所填充,1 200℃时,等轴的铁素体晶粒长大为链状,并有晶粒跨过原裂纹区长大,形成共有晶粒;温度高于1 000℃时,裂纹修复以再结晶和晶粒长大为主,再结晶的发生实现了裂纹的快速愈合。裂纹修复过程可分为4个阶段:裂纹面局部凸起的形成与接触,凸起的长大及裂纹的分段离散化,分段裂纹的球形化及孔洞的形成,孔洞的缩小及裂纹区的消失。该研究结果对揭示高温裂纹修复机理和演化过程具有重要意义,为大型锻件缺陷探伤标准的制定及质量控制提供参考依据。     

金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸Au纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制.研究发现纳米颗粒的烧结颈生长主要分为两个阶段:初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段.不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧结颈长大的主要机制不同:当颗粒尺寸为4 nm时,原子迁移主要受晶界(或位错)滑移、表面扩散和黏性流动控制;当尺寸在6nm左右时,原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制;当颗粒尺寸为9 nm时,原子迁移主要受晶界扩散和表面扩散控制.烧结过程中Au颗粒的fcc结构会向无定形结构转变.此外,小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、原子的黏性流动等因素会形成hcp结构.     

分子尺度下的水损沥青静态裂缝自愈合

为探寻水分对沥青自愈合的影响机理，采用分子动力学方法从分子角度对比分析常规沥青、水损沥青的自愈合过程，并通过宏观试验进行验证。首先，结合沥青体系能量变化，将愈合状态分为3个阶段：分子迁移低密度阶段、裂纹愈合及修复阶段、分子自由运动阶段；然后，运用径向分布函数和均方位移函数分析2种沥青在裂纹宽度、含水率、沥青组分的扩散机理和聚集状态，解释沥青的自愈合及水对沥青自愈合的影响机理；最后，进行宏观试验验证。结果表明：在裂缝自愈合过程中，水分将阻碍沥青分子间的作用力，削弱沥青体系能量，导致沥青扩散力降低，且含水量越多，扩散力下降越明显；裂缝减弱了沥青各组分的关联性，破坏了沥青质胶团和胶质过渡相的稳定性，且裂缝处的分子数目随着裂缝尺寸的增加而减少，促使沥青自愈合能力降低。采用分子动力学从分子角度解释沥青愈合机理的可靠性，有助于了解沥青分子在水损过程中结构形态和扩散行为的变化特征，为未来水损沥青自愈合的研究提供参考。     

低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构

为研究钢内裂纹愈合机理,对经过热愈合处理的稀土Q235钻孔压缩试样的组织进行了光学显微镜和SEM电镜观察与分析.结果表明,低碳钢在热愈合过程中产生了两类耗散结构特征:基体中片状珠光体的溶解;裂纹愈合区组织的形成.分析认为,含内裂纹的低碳钢是远离平衡态的开放系统,热愈合过程中存在着反应扩散非线性基本条件,存在浓度起伏、结构起伏、能量起伏等涨落因素,因此导致了材料内部有序耗散结构的产生.     

金属间化合物Fe_2B在液态锌中的腐蚀机制

利用扫描电镜、电子探针以及X射线研究了Fe2B的微观组织及被液态锌腐蚀后的界面形貌及化学组成,并运用固体与分子经验电子理论(EET)建立了Fe2B的价电子结构,对腐蚀过程中的反应扩散机制进行了合理的分析.结果表明:Fe2B在液态锌中的腐蚀机制以反应扩散为主;首先液态Zn原子扩散到Fe2B固体表面,然后沿能量较高的晶界进入Fe2B基体;Zn原子在Fe2B晶格中有限固溶,引起了Fe2B晶格畸变,同时在热应力作用下,Fe2B基体产生大量裂纹,液态锌沿着裂纹扩展方向渗入;当晶格畸变达到极限时,Fe原子周围的化学键全部断裂,Fe成为"自由"原子;"自由"的Fe原子与周围的Zn原子发生反应,生成Fe-Zn化合物;化合物从基体上剥落下来,漂移到液态锌中;Fe原子成为"自由"原子需要的能量越高,材料的耐腐蚀性能越好.     

固相扩散Cu/Al界面研究

利用"铆钉法"制备了界面为曲面的Cu-Al扩散偶.用光学显微镜和彩色金相技术,研究了烧结过程中界面的迁移情况及其影响因素.研究表明,界面迁移过程受原子的扩散控制;温度是影响界面迁移的主要因素,保温时间是次要因素;试样烧结过程中Cu/Al界面双向迁移并且向Al侧迁移的程度较大.     

铁粉部分预合金化过程中间隙元素的定向迁移

采用与水雾化铁粉纯度相同的致密铁铸锭作试样 ,通过在其表面涂覆合金元素粉末层进行部分预合金化扩散处理 ,以研究部分预合金化铁粉的压缩性改善的机理 .研究发现 ,在铁粉扩散处理过程中 ,由于部分合金化铁粉中的合金化区域产生了铁晶格畸变 ,导致该区域的体系能量升高 ,将未合金化区域中的间隙原子如C ,N ,O等吸引到合金化区域 ,产生未合金化区域中的间隙原子向合金化区域的定向迁移 ,未合金化区域产生“自纯化”效应 .实验结果表明 ,随着扩散处理温度的提高和处理时间的延长 ,未合金化区域中间隙元素的含量降低程度也增大 ;间隙原子自未合金化区域向合金化区域的迁移过程符合扩散动力学规律     

热处理作用下碳钢氢腐蚀裂纹愈合规律

对含氢腐蚀裂纹的碳钢进行再热处理后,SEM观察表明,氢蚀裂发生了不同程度的愈合,实验结果表明：长度约为10μm的碳钢氢蚀裂纹完全愈合的热处理条件下是从室温到1000℃热循环5次,共10h,氢蚀裂纹的愈合机制是热扩散,发生氢蚀裂纹愈合的动力是氢蚀气泡或裂纹长大导致的塑性变 能E8。在铁、碳和氢原子扩散都足够快的情况下,氢蚀裂纹愈合的条件是E8大于裂纹愈合所必须克服的表面张力能。     

Physical and Numerical Simulation for Inner Crack Healing in Metals

The research purpose on the healing of inner crack in metallic materials is to provide an effective approach for improving their properties and prolonging their lifetime. The crack healing process of 20MnMo steel with inner pre-crack was analyzed. It was found that all inner cracks could be healed in different degree. There were very fine ferrite grains in healing region. The micro-crack healing process in single crystal of BBC-Fe was simulated by the molecule dynamics method, which showed that the critical temperature of crack healing in BBC-Fe is 673K. There were micro-voids, dislocations and twins left after crack healing.     

Effect of gradient temperature rolling process on promoting crack healing in Q500 heavy plates

To ensure the quality of heavy plate products as determined by ultrasonic inspection, it is necessary to effectively control defects such as cracks and shrinkage cavities in heavy plates. Generally, some defects such as large size cracks exist due to insufficient deformation in the center of traditionally rolled plates. Compared with the traditional rolling process, gradient temperature rolling(GTR) process can effectively increase deformation inside heavy plates. In this study, the effect of GTR on crack healing was analyzed through a comparison experiment with the uniform temperature rolling(UTR). The results show that the GTR process could increase the plastic strain inside the heavy plate and effectively promote the healing process of the preset cracks. The degrees of crack healing at the center and quarter thickness position of the steel plate via GTR were greater than twice those of the plate via UTR. The GTR process can significantly reduce the internal defects of heavy plates and improve the defect detection level of heavy plate products. Also, The GTR process results in the formation of new crystal grains in the crack region, which is crucial to crack healing.     

Molecular dynamics simulation of microcrack healing in aluminium

The molecular dynamics method is used to simulate microcrack healing during heating or under compressive stress. A center microcrack in an Al crystal could be sealed under a critical compressive stress or by heating it over a critical temperature. During microcrack healing, dislocation and vacancy are generated and moved, and sometimes twin appears. The critical temperature necessary for microcrack healing depends upon the orientation of the crack plane. For example, the critical temperature of the crack along the ( 111 ) plane is the lowest. When there are pre-existing dislocations around the microcrack, the critical temperature necessary for microcrack healing will decrease. The energy condition for crack healing is б2π a ( 1-v2 ) / E + UT/ A ≥ 2 γ + γp, where б is the applied compressive stress, a the length of the crack, γ the Poisson' s ratio, E the Young' s modulus, UT heat energy driving crack healing, A the area of the crack, γ the surface energy, and γp the plastic deformation work. Pre-existing dislocations can reduce γp.     

裂缝在压剪条件下的应力场和扩展能

用无缝宽的光测模型试验和位移不连续边界无法研究了压剪条件下缝面和缝端的能量分配和敏感性。试验和计算表明压剪裂纹在缝端存在强烈的应力集中区,属于断裂问题,应由韧性判别,由实验得到的应力场和计算应力场在整体上很相近,但在缝端相差较大,压剪缝延伸可用离缝端一定距离的应力当量韧性来判断。     

GCr15钢超高周的疲劳行为

以GCr15钢为试验材料进行旋转弯曲超高周疲劳行为的试验研究,用电子显微镜对试样断口进行观察.结果表明:疲劳裂纹的萌生机制可以分为两种,一种为表面裂纹萌生机制,发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移或表面夹杂引起的;另一种为内部裂纹萌生机制,发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂物引起的.通过对试验结果的分析和处理,描绘出了GCr15钢的S-N曲线.通过对裂纹萌生位置处尺寸参数的计算和评估,阐述了裂纹萌生于内部的破坏机理,提出了基于裂纹尺寸参数的超高周疲劳极限的推定方法.     

加热温度及保温时间对结构钢内部裂纹愈合的影响

目的研究加热温度及保温时间对钢内部裂纹愈合的影响,为钢内部裂纹愈合处理提供理论依据,以促进钢材的智能化、提高其使用寿命。方法用钻孔压缩法在试样内部引入裂纹,然后对含内部裂纹的试样进行不同加热温度和不同保温时间的空冷处理,采用金相显微镜及扫描电镜观察分析裂纹愈合程度。结果裂纹愈合区是由铁素体构成的细晶愈合带,随加热温度升高及保温时间延长愈合带变窄。结论随加热温度升高及保温时间延长裂纹愈合程度增加;温度是影响裂纹愈合的主要因素,而加热时间的影响次之;裂纹愈合存在临界温度,此临界温度应大于该材料的最低再结晶温度。     

电化学沉积法修复钢筋混凝土裂缝的机理

设计了电化学沉积法修复钢筋混凝土裂缝的试验装置 ,试验研究了裂缝中沉积物的成分、形貌以及裂缝愈合效果 .探讨了电化学沉积原理、电极反应 ,并提出裂缝愈合机理 .研究表明 ,电极间电势差引起的电极反应是电化学沉积的动因 ;电流密度是混凝土裂缝愈合效果的一个重要因素 .裂缝愈合机理在于电解反应生成的产物在裂缝中诱导成核 ,生成不溶性晶体 ,从而使裂缝密实、愈合 .     

描述裂纹愈合过程的内变量

在连续介质热力学框架内，以热力学第二定律为出发点，推导出裂纹愈合耗散不等式，确定了描述裂纹愈合过程的热力学内变量H的定义形式．裂纹愈合过程内变量的提出，不仅可以将裂纹愈合过程模型化，而且还可以建立裂纹愈合过程的演化方程和本构方程，为裂纹愈合过程的定量分析提供可能性．