高温应变下的晶界位错结构组态演化的晶体相场模拟

【目的】研究高温下晶体的晶界位错结构组态演化。【方法】采用晶体相场(PFC)方法模拟高温条件下小角对称倾侧晶界结构,研究施加x轴方向拉应变和y轴方向压应变作用下晶体的晶界位错的迁移、增殖和湮没。【结果】在施加应变的作用下,晶界位错迁移出晶界向晶粒内部移动,在位错增殖和湮没的过程中发生位错反应。【结论】位错增殖的本质是产生了分布于晶界两侧的对称位置数量相等且Burgers矢量总和为0的多组位错对。在晶界处新增殖的位错对,其左侧和右侧位错对的Burgers矢量之和分别不为0且方向相反。在位错增殖和湮没的过程中,样品的总Burgers矢量是守恒的,总是等于初始晶界处的位错组A的Burgers矢量。     

晶体相场法模拟大角度晶界的变形过程

采用晶体相场法模拟大角度晶界在外加应力作用下的变形过程,研究外加应力方向对晶界结构及位错运动的影响.研究表明：大角度晶界在应力作用下通过改变晶界曲率和位错运动使晶界发生迁移;晶界处位错形核所需临界应变与体系所受应力方向有关,其中沿平行晶界方向比沿垂直晶界方向所需临界应变更大.研究结果揭示了晶界是位错的源和汇,不仅能够产生位错,而且能够吸收位错.     

晶体相场法研究小角晶界<100>位错芯的扩展演化

位错扩展对材料的性能有重要影响。本文应用晶体相场（PFC）法模拟体心立方（BCC）晶体的双晶晶界在施加双轴应变下，晶界的<100>位错芯的扩展现象。研究发现，晶界的■位错芯区域出现空位，从而给位错芯的扩展提供了条件。研究表明：随着应变量的增加，<100>位错发生分解反应，位错芯从单个刃位错分解成两个混合位错，然后，两个相邻的位错芯扩展成一个整体。这个大位错芯里包括4个柏氏矢量不同的1/2<111>位错，晶界的<100>位错的分解反应与这个1/2<111>位错相关，应变场分析表明<100>位错芯扩展时出现应变集中。     

SrTiO3基多功能陶瓷的晶界结构与晶界能

用高分辨透射电子显微镜（ＨＲＥＭ）观察和分析了ＳｒＴｉＯ３陶瓷中洁净晶界的结构，提出了晶界处原子排布模型，用弹性位错理论推出了描述晶界能与晶粒间失配角关系的方程。晶界能由晶界核心能和伴有晶界应变场的弹性位错能组成，通过对［郾１］和［１１０］倾斜晶界晶界能的模拟，证实了该模型的可行性。     

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。     

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。     

晶体相场法模拟小角度晶界的位错结构及其演化

采用晶体相场模型模拟小角度晶界结构和在外加应力作用下晶界、位错的演化过程,从位错的运动形式、体系自由能与应变关系等角度,讨论晶界位错运动和湮没过程。结果表明:在稳定的小角度晶界中,位错间距与位向差成反比。位错和晶界区域具有较高的能量密度;外加应力会导致一个位错组脱离晶界而分解成两个位错组,且有诱发晶界湮没的趋势;晶界湮没过程可以出现4个阶段或2个阶段,且存在敏感位向差角,位向差稍高于5.85°时晶界湮没过程呈4个阶段,位向差稍低于5.85°时晶界湮没过程呈2个阶段;位向差越小,晶界湮没过程越简单快捷。     

高温预熔化晶界位错的结构组态转变的探究

晶体材料的性能受其内部晶界特性的影响。在高温下,晶体材料在晶界上易发生预熔化。本研究采用晶体相场(PFC)方法模拟高温二维六角晶体的晶界预熔化区在双轴加载作用下的结构演化情况。结果显示,晶界位错会发生配对,形成具有对称结构的位错团,一对位错上下排列,另一对位错左右排列,构成4个位错的组合。随着施加的应变增大,晶界位错预熔化区域横向扩展,其形状最初为棒状,逐渐转化为六边形,再转变成“V”形,最后又收缩为六边形。晶界预熔化区的形状变化伴随着内部位错结构的转变,从而发生位错芯扩展,原来上下配对的位错转变为并行排列的位错,左右排列的位错发生扩展滑移,并在左右两端萌生出一对新的位错。当预熔化区域扩展达到横向最宽时,该区域发射一对位错,随后预熔化区域开始收缩,最后又恢复到初始的形状。上述结果表明,位错结构的组态转变对晶体材料的高温变形机制能产生强烈的影响。     

高温应变作用下小角度晶界湮没过程的晶体相场模拟

【目的】采用晶体相场模型模拟应变作用下晶界的变形过程。【方法】分别模拟了对称倾侧双晶体系在远离熔点温度和接近熔点温度时,在外加应力作用下小角度晶界的湮没过程。【结果】研究表明,小角度晶界同一侧晶界处相邻位错组的柏氏矢量夹角为60°,并且当体系接近熔点温度时,晶界处位错组周围出现预熔区域。【结论】晶界处的位错组在应力作用下进行滑移运动,两种情况中晶界位错的湮没规律基本相同,但由于预熔情况的出现,使得位错运动的阻力降低,位错运动的速度较快,湮没时体系能量减小得更多。     

不同温度晶界位错湮没过程的晶体相场模拟

【目的】针对不同温度的晶界位错湮没过程进行研究。【方法】采用晶体相场模型模拟中等角度对称倾侧晶界结构在不同温度下的晶界位错演化湮没过程,从位错的运动形式和体系自由能的变化,分析晶界的消失过程和位错的相互作用。【结果】具有二维三角晶格原子点阵结构形成的对称倾侧晶界是由配对的位错对按直线规则排列构成,可以看成由2套位错Burgers矢量组成。晶界湮没主要有如下几方面的特征过程:首先晶界位错攀移,然后发生位错分解,晶界发射位错,位错由攀移运动转化为作滑移运动;接着滑移位错穿过晶粒内部,直到在对面晶界上湮没;剩余的晶界位错继续作攀移运动,然后又出现位错分解,晶界再次发射位错,使得位错转为作滑移运动,与其它作滑移运动的位错在晶内相遇湮没消失。【结论】在低温情况,位错是一对一对地按照一定的顺序发生湮没,而高温情况,位错湮没可以同时出现几对位错一起发生湮没。最后,所有晶界和位错全部消失。     

Cu双晶的循环饱和位错结构——II.迷宫位错结构

用透射电子显微镜（ＴＥＭ）研究了受循环应变载荷作用的Ｃｕ双晶中的迷宫形态位错结构。实验表明,迷宫位错结构由两组相互垂直的（００１）和（２１０）位错墙组成。其形成不仅与外加应变幅有关,而且取决于晶体中开动的滑移系统,与一组互相垂直的Ｂｕｒｇｅｒｓ矢量的位错密切相关。     

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。     

7475铝合金超塑变形中的显微结构变化

对质点强化型的高强度7475铝合金超塑变形中显微组织变化进行了研究。结果表明,在超塑变形中发生下面三个连续过程:(1)位错从晶界发出;(2)位错攀移越过晶内弥散分布的第二相质点;(3)位错消失于晶界。位错密度随应变的增加而增加。位错攀移越过弥散质点的过程是合金超塑变形的速控过程,超塑变形的主要机制是晶界滑移伴随晶内位错运动。     

GH133合金高温低周疲劳研究

本文研究了GH133合金的循环应力应变反应和低周疲劳性能,并作了位错结构和断口观察。通过对比拉压对称(R=-1)试验和恒定最大正应变(ε_(max)=C)试验,证明平均拉应力起降低寿命的作用。位错结构观察证明,循环使共格γ′质点的相界处产生应力场,最终导致位错的萌生并运动,位错运动又进一步增殖位错。位错运动方式是变化的,由成对切割γ′质点到单位错切割γ′质点和位错绕过γ′质点。滑移带位错结构最终可以出现饱和的梯状结构,与典型的驻留带位错结构相似。晶界和双晶界附近位错密度高,具有位错胞结构,同时可以出现沿晶界裂纹和沿双晶界裂纹。 在循环交变作用下,材料的破坏过程可以分解为三个主要过程,即在循环作用下产生的材料变形行为的变化,疲劳裂纹的形成和疲劳裂纹不断扩展,直到一定的临界大小而发生最终破坏,这三个过程是不同的但又是相互联系的,宏观疲劳现象可以在此基础上作出适当的说明。对于含有共格γ′沉淀相的低层错能奥氏体合金,许多研究[1—8]指出,其循环反应往往是先循环硬化再循环软化,并具有面排列位错结构。关于循环软化现象,一些作者认为[8],共格沉淀相在位错往复切割下碎化而导致回溶,产生软化,更多的作者相信[4],位错切割共格相导致有序强化作用减弱或消失,产生软化。关于循环硬     

含晶界孔洞粗晶工业纯铁的循环变形及损伤特征

为了更好地了解体心立方(bcc)结构金属的循环变形机制,在恒总应变幅控制的条件下研究了含晶界孔洞粗晶工业纯铁的疲劳变形特征.结果表明,含晶界孔洞的粗晶工业纯铁在不同总应变幅"εt/2下均发生不同程度的循环硬化现象,无循环饱和阶段出现.疲劳寿命与塑性应变幅的关系基本符合Coffin-Manson法则.循环变形的表面变形特征与外加总应变幅具有一定的相关性:随着总应变幅的增加,滑移变形及其导致的挤出侵入现象更为严重,滑移开裂更趋显著;越来越多的原来位于晶界上的微观孔洞发生扭曲变形、聚合、长大而产生裂纹,甚至导致沿晶开裂.在相对较高的总应变幅下,在表面还观察到了滑移扭折现象以及沿晶裂纹扩展进入晶粒内部的现象.在低应变幅"εt/2=1.0×10-3下循环变形后发现了类驻留滑移带(PSB)楼梯位错结构,随着应变幅的增加,位错胞结构发展成为主要结构特征,其平均尺寸逐渐减小.     

干燥、潮湿合成盐岩流变细观机制的对比研究

针对盐岩流变细观机制的研究,对于合理建立本构模型、实验室尺度数据外推均具有重要意义。采用盐岩合成技术进行恒定应变率条件下的干燥盐岩流变实验,并对其细观结构进行了显微镜观测,同时借助于潮湿盐岩的研究成果作为对比,结果表明在晶界水的促进作用下,盐岩流变细观机制将会发生转化:干燥盐岩应力—应变曲线较为平缓,晶内存在波状滑移线、亚晶粒等细观特征,表明位错交叉滑移或位错攀移为流变主导机制;潮湿盐岩应力—应变曲线形状较为波动并存在晶界迁移等细观结构,动态重结晶机制将对流变产生重要作用;对干燥、潮湿盐岩的实验数据拟合分析表明,流变机制由位错流变向纯压溶转化。因此在盐构造地质演化、盐岩地下储库稳定性等研究过程中,要注意温度、应变率、应力水平、含水量等因素对流变应变率控制机制的影响。     

铜∑9〈110〉{221}对称倾斜晶界在纯剪切应力作用下结构转变行为的原子尺度模拟研究

采用原子尺度计算模拟方法并结合嵌入原子型原子间相互作用势,对含∑9〈110〉{221）对称倾斜晶界的铜双晶体在纯剪切载荷作用下的形变行为进行了研究．能量最小化弛豫分析表明,该晶界存在两个能量局部极小的优化结构,其能量低者为稳态结构,另一能量稍高者为亚稳态结构．对双晶体在室温下的剪切过程进行分子动力学模拟发现,在不同取向的剪切载荷作用下,该晶界的结构转变模式有如下三种方式：（1）纯粹的晶界滑移;（2）晶界局部原子重排同时伴随晶界位错发射;（3）晶界滑移与晶界迁移相结合的耦合运动．结构演化分析显示,纯粹的晶界滑移不改变晶界结构,晶界位错发射会引发孪晶的产生与面心立方结构向密排六方结构转化,而晶界耦合运动则随剪切方向的不同有两种不同的方式：其一为由晶界原子集体运动而引起的结构转变过程,其二为由晶界局部原子重排过程引起的结构转变,这些局部原子重排过程互不关联;其中,前者会使晶界结构在稳态与亚稳态之间转化,而后者会引起晶界小面化．分析表明,这些结构转变规律可采用晶界重位点阵理论给出较好的解释．     

锌铝共析合金的超塑性变形组织特征

用电镜等手段对室温下超塑性变形中的Ｚｎ－２２％Ａｌ共析合金的组织变化进行了观察，发现在该合金的α相（富Ａｌ相）＋β相（富Ｚｎ相）２相组织中，在三叉晶界存在亚微观破坏区（破坏了晶粒间的连续性）和显微孔洞，在α，β晶界的某些区域存在条纹带，某些晶粒内部存在大量位错及其缠结．据此，证实该合金超塑性变形的主要机制是新晶粒挤入及晶界滑动．孔洞和位错运动松弛晶界活动引起的应力集中，能协调晶界滑动的连续进行．条纹带是晶界迁移的结果．     

Cu双晶循环形变饱和位错结构

用透射电子显微镜研究了３种Ｃｕ双晶循环形变饱和位错结构，双晶标记为「１３５」／「１３５」，「２３５」／「２３５」以及「３４５」／「１１７」／。观察表明，双晶的饱和位错结构和其循环应力应变响应一致。。在「１３５」／「１３５」，「２３５」／「２３５」平行晶界双晶循环应力－应变曲线平台区，饱和位错结构基本上由驻留滑移 梯状结构和基体的脉络结构组成。     

晶界碳化物对15Cr—25Ni不锈钢拉伸性能的影响

利用单相奥氏体及晶界碳化物＋奥氏体的两种 １５Ｃｒ－２５Ｎｉ不锈钢，研究了晶界碳化物对室温及８６０℃拉伸性能的影响。结果表明，室温下晶界碳化物对屈服强度几乎没有影响，但提高了抗拉强度约１４％，降低材料塑性（断面收缩率）约３８％，在８５０℃，晶界碳化物对抗拉强度没有影响，但提高了村料的塑性，其延伸率反断面收缩率分别提高约７０％和５８％，探讨了晶界碳化物影响拉伸性能的机制，室温下由于碳化物与基体界面结构与晶界结构不同导致与位错的不同交互作用，在高温下则是晶界碳化物阻碍晶界的滑移。