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。     

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。     

三角缺口与圆形缺口起裂和裂纹扩展的晶体相场模拟

【目的】研究具有不同初始缺口的样品在单轴拉伸应变作用下裂纹起裂扩展的方式。【方法】采用晶体相场(PFC)法模拟不同缺口裂纹的扩展演化图及相应的应力分布。【结果】三角形裂口两侧裂纹起裂与扩展情况存在明显的差异,左侧裂口出现韧和脆两种类型的裂纹生长,而右侧的缺口是解理裂纹扩展;圆形裂口两侧的裂纹萌生,开始时表现为发射位错,然后形成空洞,随着裂纹进一步发展,逐渐转变为解理扩展。在应变施加初期,应变场强较弱,只在裂口附近有变化,形成二个环状的分布,在萌生裂纹的区域,出现应变集中。随着裂纹扩展,应变场环绕在裂纹周围,形成大的椭圆环状,在裂尖附近和位错区域,都存在应变集中。【结论】不同初始缺口对缺口起裂的时刻、方式和裂纹扩展有影响。     

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。     

不同晶向取向的裂纹扩展演化模拟

【目的】研究具有不同初始晶向倾角的样品在单轴拉应变作用下的纳观尺度裂纹扩展行为,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】采用晶体相场法观察不同晶向倾角下裂纹的扩展演化图及对应的应力分布图。【结果】当拉应变作用达到临界值时,无预应变的样品裂口开始起裂,并伴随着位错出现。在晶向倾角为0°、5°时,裂口在起裂时,缺口两端裂纹和裂口相连接,裂纹主要是解理脆性断裂模式扩展;在晶向倾角为10°时,裂口向左右两边各发射一个位错,位错在滑移过程中留下一系列空位,空位连通形成裂纹再与主裂口相连,裂纹主要是韧性断裂模式扩展。【结论】不同晶向取向对裂纹的扩展演化有重要影响。     

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。     

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。     

剪切应力作用下位错运动的晶体相场模拟

【目的】研究剪切应变作用下晶体的位错攀滑移运动特征,揭示原子晶格势垒、剪切应变对位错运动特征的作用机理。【方法】根据位错滑移运动,构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用项的体系自由能密度函数,建立剪切应变作用体系的晶体相场模型,模拟位错攀移和滑移运动,计算临界应变。【结果】位错攀移克服的势垒大于滑移的阻力势垒;位错启动运动,存在临界的势垒;施加较大的剪切应变率作用,体系能量变化为单调光滑曲线,位错以恒定速度作连续运动,具有刚性运动特征;剪切应变率较小时,体系能量变化出现周期波动特征,位错运动是处于低速不连续运动状态。【结论】位错攀移和滑移运动特征与实验结果相符合。     

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。     

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。     

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。     

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。