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。     

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。     

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。     

纳米孔洞发射位错的愈合机理研究

孔洞影响材料的使用寿命，因此孔洞愈合的机理研究有重要意义。本研究采用晶体相场(Phase Field Crystal, PFC)模型，研究纳米孔洞缺陷在单轴压应变作用下的微观愈合过程中位错发射的特征。结果表明，在压应变作用下，体系能量累积到某一临界值时，孔洞发生变形并长出凸口，在凸口处位错开始萌生。随着压应变的增加，凸口处位错开始发射，使得孔洞不断缩小，最终通过该方式实现孔洞愈合。上述结果表明，位错发射机制是纳米孔洞愈合的主要形式，对防止材料裂纹的扩展以及提高材料的寿命具有重要的理论意义。     

晶体相场方法在纳米裂纹扩展与韧脆断裂领域的研究进展

进入21世纪，计算机数值模拟技术在科学研究中的作用越来越突出，它与实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要介绍裂纹研究的现状和宏观断裂力学存在的尺度局限性，并对近年来发展的原子级空间分辨尺度的晶体相场(PFC)模拟方法所具有的特征尺度范围和特色，以及PFC模型在模拟纳观尺度的材料微结构演化上所具有的优势进行说明。然后，介绍PFC模型在裂纹研究上的主要应用成果，包括以下5个方面：Zener裂纹的形核与扩展、纳米裂尖楔形位错空隙发射、晶列取向对纳米裂纹扩展的韧-脆断裂影响、纳米裂纹扩展模式的分类、纳米孔洞裂纹的愈合修复。最后，总结并指出PFC模型的发展方向及其今后在裂纹研究领域应用的新领域和重点方向。     

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。