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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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     

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。     

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.     

纳米铜单晶拉伸力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟了绝对零度时三种不同边界条件下纳米铜单晶的拉伸力学性能。计算结果发现：不同边界约束对钢单晶的内在原子运动和整体力学行为有明显影响;纳米杆、纳米薄膜良好的延性主要来源于位错运动;铜单晶块体的破坏源于内部孔洞的发展,破坏时延性较差;此外,纳米杆、纳米薄膜存在较大的表面张力。     

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。     

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。     

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。     

分析表面裂纹的一种新方法

用边界积分方法，分析表面裂纹的张开位移和应力强度因子．此方法将埋在无穷大弹性介质中裂纹，模拟为连续分布的位错环．根据两个位错环之间的相互作用能，可以得到弹性体的应变能；对弹性体的势能取极值，可以得到关于裂纹张开位移的边界积分方程．通过把半空间的边界模拟成一个包含在无穷大弹性介质中大裂纹，此法能很好的处理具有任意表面形状的表面裂纹．两个实验算例的计算结果与已有的解析解吻合很好，说明此方法的有效性和精确性．文中还分析具有表面台阶的表面裂纹的应力强度因子，结果有利于分析表面裂纹的扩展．     

Mechanical behavior and microstructure evolution for extruded AZ31 sheet under side direction strain

AZ31 magnesium alloy sheets were prepared by a conventional extrusion (CE) and a novel integrated extrusion with side direction strain (SE). The microstructure characterizations, crystallographic texture and mechanical property tests were carried out and compared between the extruded Mg alloy sheets processed by CE and SE. The results indicated that the SE sheets exhibited an excellent combination of strength and ductility. To reveal the side strain effect, the finite element model was employed to investigate the effective stress and strain behavior of the AZ31 magnesium alloy sheets during CE and SE processes. It was found that the SE process was effective in weakening the stress and strain concentration. This implied that it developed an additional side direction strain through the sheet thickness during the hot extrusion. Meanwhile, the side strain shear paths could promote the local accumulation of dynamically recrystallized grains and increase the random high-angle boundaries to achieve weak (0002) basal texture. Important factors including the side strain path and extrusion parameters need to be taken into account to understand the deformation mechanism and microstructure evolution.