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。     

纳米级缺口起裂临界条件的晶体相场模拟

【目的】研究初始缺口大小对裂纹起裂的影响。【方法】采用晶体相场(phase-field-crystal,PFC)模型研究单轴拉伸应力作用下,材料裂纹起裂的动态演化过程,并结合自由能分析裂纹起裂与扩展过程中,不同缺口尺寸对裂纹起裂的影响。【结果】沿x方向施加恒应变,初始缺口y方向尺寸较小时,改变缺口x方向尺寸,缺口并不起裂;当y方向尺寸达到一定值时,初始缺口会起裂。当y方向尺寸接近起裂临界值时,x方向尺寸的增大会延缓缺口的起裂。当x方向尺寸改变量较小时,裂纹并不起裂,当增大到x方向尺寸临界值时,缺口开始起裂并扩展。【结论】在应力大小一定的情况下,缺口起裂与应力作用方向垂直的缺口尺寸密切相关,只有与应变作用方向垂直的尺寸达到临界值,缺口才会发生起裂。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。