双位错滑移运动的晶体相场模拟

【目的】研究晶体位错运动对材料加工力学性能的影响。【方法】应用改进晶体相场(Phase-field-crystal,PFC)模型,研究剪切应变作用下晶体的双位错的滑移运动特征。【结果】在应变作用下,体系的双位错只作滑移运动,运动方向平行且相反,保持匀速运动,不出现攀移运动;应变率较小时,位错作滑移运动,越过势垒需要一定孕育时间,此时滑移出现颠簸式运动特征;应变率较大时,位错滑移运动呈匀速直线运动。【结论】PFC模型能较好地用于研究位错在应变作用下的运动。     

初始原子排列对亚晶界湮没影响的晶体相场模拟

【目的】研究初始原子对亚晶界湮没机制的影响。【方法】采用晶体相场模型模拟亚晶界结构在应力作用下的湮没过程,并从位错运动和能量变化角度对湮没过程进行分析,同时讨论初始原子在两晶粒交界处的对齐程度对其后亚晶界湮没的影响。【结果】研究表明,初始晶界原子排列错位1/4晶格常数时,首先位错在晶界处攀移,然后位错同时分离成两个,一个分离出的位错停留于原位,另一个则进入亚晶内部进行攀移和滑移直至相遇湮没,之后原来停留于原位的位错在攀移一段时间后也进入亚晶内部进行攀移和滑移,最终相遇湮没,形成单晶。而初始晶界原子排列错位1/2晶格常数时,湮没过程与初始晶界原子排列错位1/4晶格常数时的情况存在很大的差异。【结论】亚晶界湮没过程中,位错直接进入亚晶内部进行攀移和滑移,位错间发生复杂的相互作用,最终位错全部湮没,形成单晶。同时体系能量将随应力的增加而波动下降,形成4个明显的峰谷。     

晶体相场模拟取向角对晶界湮没过程的影响

【目的】研究大角晶界的位错运动和相互作用,揭示晶界发射位错的内在原因。【方法】采用晶体相场模型模拟不同取向角的晶界位错湮没过程。【结果】晶界湮没有如下主要过程:开始时位错沿晶界攀移,随后晶界发生位错发射,位错运动方式由攀移转化为滑移;位错滑移穿过晶粒内部,在到达对面晶界处发生湮没;其余的晶界位错仍作攀移运动,再次出现晶界发射位错;滑移位错与其它位错在晶内相遇发生湮没。【结论】位错在晶界处湮没,自由能曲线的谷较浅,而在晶粒内部湮没,能量曲线的谷较深;晶界攀移的位错越多,能量曲线的峰越高。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

拉应力作用下晶界位错运动过程的晶体相场模拟

【目的】研究晶界位错在受到拉应变作用下的运动规律。【方法】采用晶体相场(Phase-field-crystal,PFC)方法研究拉应力作用下位错的动态演化过程,分析演化过程体系自由能。【结果】改变拉应力的施加方向,沿x轴施加拉应力时,位错运动呈现"左上右下"运动趋势,沿y轴施加拉应力时,位错运动呈现"左下右上"运动趋势。改变拉应力的施加方向对位错的运动及自由能曲线产生明显的影响。最终位错都运动到液相区,模拟区域成完整单晶。【结论】拉应变施加导致位错运动,体系能量上升,在方向不同的正应力的作用下,位错运动方式不同,体系原子之间跟随着外力场的作用作耦合运动,实现施加拉应变的物理效果。     

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。     

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。     

向错强度与阻尼系数对纳米晶材料小角度晶界湮没的影响

[目的]研究一维纳米晶材料演化过程中的小角度晶界湮没过程,探究向错强度与阻尼系数对位错湮没的影响。[方法]建立位错运动方程,计算模拟小角度晶界的晶格位错在外应力作用下发生的变化。[结果]随着切应力增加,晶界由过阻尼运动变为无穷远的单向运动,向错强度越大晶界越难以湮没,并且晶界位错由同时湮没转变为两端先湮没,中心后湮没;阻尼系数越大,湮没临界切应力越大,但到达一定值时,阻尼系数不再影响临界值。[结论]晶界湮没存在临界切应力,向错强度主要影响临界切应力,阻尼系数主要影响位错初始速度和运动停止时间。     

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。     

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。     

外应力作用下小角晶界的斜排位错运动研究

[目的]探讨纳米晶材料中小角度晶界位错在应力作用下的演化机理。[方法]通过分析位错受力,建立动力学方程,分析晶界斜排位错在受到外应力作用下的运动规律。[结果]晶界位错的3个部分结果不同,处在中心位错以上的位错(第1部分)在剪切应力不断增大的过程中,会经过滑移,波动,最后沿柏氏矢量方向滑移过程;中心位错(第2部分)会经过滑移,波动,再滑移过程;中心位错以下的位错(第3部分)会先逆柏氏矢量方向滑移,然后改变运动方向进行攀移,最后回到第5个位错的初始位置后沿柏氏矢量滑移。[结论]当晶界位错受到外应力作用时,晶界会马上瓦解,外应力是导致晶界瓦解的主要因素。对比水平位错的晶界,斜排位错组成的晶界瓦解不具有对称性,每个位错的运动规律都各有特点。     

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。