金属多晶体晶粒的空间及截面拓扑分布特性

利用系列截面法系统地研究了一种微合金化低碳钢奥氏体晶粒的空间及截面拓扑分布特性，实验建立了晶粒界面数Ｆ与其截面多边形边数均值ｎ及边数平方均值ｎ＾－２之间的经验关系，并进一步研究了不同拓扑级别的三维晶粒的截面拓扑分布且与多种晶粒几何模型进行了比较分析。     

体积权重与个数权重晶粒体积分布特征的相互关系

金属多晶体三维晶粒尺寸分布常近似呈Ｇａｍｍａ分布或Ｌｏｇｎｏｒｍａｌ分布。基于这２种分布函数，导出了体积权重与个数权重的晶粒体积分布特征参量的相互关系，并利用一种低碳钢奥氏体晶粒组织的实验数据及文献数据对其进行了验证。利用该关系，通过对多晶材料晶粒组织二维截面的标准金相测量，即可计算个数权重的三维晶粒积分布的特征参量。     

金属晶粒尺寸与拓扑参量分布数字特征间的关系

以“金属晶粒Euler指数与空间直径相对等值规律”为基础,本文采用列表方式系统地归纳总结了金属多晶体的晶粒尺寸与拓扑参量两类参量的分布数字特征之间的定量函数关系。这些关系可相当便利地用于根据晶粒尺寸参量的分布数据直接估计出拓扑参量分布的宽度、不对称程度和峰态等,并对这种估计办法的可靠程度进行了实验验证。     

双辊薄带凝固组织中晶粒三维尺寸的表征

双辊薄带凝固组织中柱状晶粒和等轴晶粒的尺寸大小对薄带的性能和行为有非常重要的影响,在薄带铸造过程中由于晶粒的生长具有三维特征,采用传统表征方法无法实现对薄带凝固组织中晶粒三维尺寸大小的表征,本文运用定量金相和概率论知识,在对晶粒形状作出合理假设的基础上,建立了双辊薄带凝固组织中柱状晶粒和等轴晶粒三维尺寸的表征表达式,实现了柱状晶粒等轴晶粒三维生长特征的定量描述。     

界面扩散控制晶粒生长动力学的计算机模拟

建立一个模拟晶粒生长过程的三维计算机模型，利用该模型可以方便地模拟不同条件下的晶粒生长过程，对不同温 度、体积分数和激活能条件下的生长过程进行了模拟运算结果表明：三维晶粒尺寸ｒ随时间ｔ演化的生长过程满足关系ｒ－ｔ＾１／ｎ，ｎ的值约为６，该模型的计算机模拟对纳米相生长动力学等实验具有一定的理论预见的指导意义。     

氧化镁烧结过程中晶粒长大动力学研究

作者研究了由菱镁矿得到的氧化镁在1500～1600℃范围内烧结时的晶粒长大。发现烧结试样中二维及三维晶粒尺寸分布符合对数正态分布,平均粒径和粒径分布中位数的增长符合抛物线方程;同时,随烧结密度的提高,晶粒尺寸的分布变宽。     

纯铁晶粒拓扑构形的定量研究

本文采用系列截面法,较系统地对退火纯铁晶粒的拓扑构形进行了实验研究,并着重分析了拓扑参量的分布特性及有关规律。     

薄膜中正常晶粒生长膜厚效应的理论分析

根据自由表面在晶界处的开槽现象，对薄膜中正常晶粒生长膜厚效应进行了理论分析。结果表明，正常晶粒生长被塞积时的平均晶粒尺寸与膜厚成正比。     

激光烧蚀过程中密度交叠区振荡稳定时间与晶粒尺寸均匀性的关系

在不同环境气体中,对脉冲激光烧蚀产生的Si粒子的输运过程进行了Monte Carlo动力学模拟,并实验研究了脉冲激光烧蚀制备纳米Si薄膜的晶粒尺寸分布. 在理论分析和实验研究的基础上,讨论了纳米Si晶粒尺寸分布和烧蚀过程中出现的交叠区振荡稳定时间的对应关系. 结果表明,Si蒸气/环境气体高密度交叠区振荡稳定时间越短,所制备的纳米Si晶粒尺寸分布越均匀.     

基于Monte Carlo Potts方法的三维大尺度晶粒组织仿真模型及定量表征

为改善三维晶粒组织可视化模型的统计性,采用Monte Carlo Potts方法建立了材料多晶体组织的一种大尺度三维数字化模型,并实现了其定量表征和三维可视化.逾万晶粒的统计结果表明,该模型的平均晶粒面数为13.8±0.1,晶粒尺寸分布和晶粒面数分布均可用Lognomal函数近似拟合,与实际材料晶粒组织情况相近.     

立方晶粒各向异性多晶体的弹性张量和超声波速

多晶体中的晶粒取向分布可通过取向分布函数（orientation distribution function,ODF）表示．取向分布函数（ODF）可在Wigner D-函数基下展开,其展开系数称为织构系数．利用Clebsch-Gordan表达式推导出立方晶粒各向异性集合多晶体的弹性张量显表达式,该弹性张量表达式包含3个材料常数和9个织构系数．为了织构系数的超声波测定,给出了这9个织构系数与超声波速之间的关系式,并通过一个算例来验证这个关系式．     

三维晶粒尺寸及分布对纳米永磁材料磁性能的影响

本文建立厚度为d的晶粒间界相均匀包围边长为D的三维立方体模型.假定晶粒间界相削弱了晶粒间的交换耦合相互作用.研究了晶粒尺寸及分布对纳米永磁材料有效各向异性及矫顽力的影响.结果表明：单个晶粒的平均各向异性随晶粒尺寸D的增大而增大.且材料的有效各向异性Keff和矫顽力Hc均随平均晶粒尺寸的增大而上升,而上升速率逐渐减慢.Keff和Hc随分布系数的增加而下降,且下降速率逐渐减慢.当Pc=0.7,=1.5,K1（0）=0.2Kh,d=2nm时,我们计算的矫顽力与实验数值符合地很好（Pc是无量纲因子,在0到1之间取值.Kh是晶粒内部正常的磁晶各向异性常数,K1（0）和d分别为晶粒间界相的各向异性常数和厚度）.     

散射电场对激光烧蚀制备纳米Si晶粒分布和尺寸的影响

在10 Pa的氩气环境下采用了脉冲激光烧蚀技术(PLA),通过引入散射电场沉积制备了纳米Si晶粒薄膜.X线衍射谱(XRD)和Raman谱测量均证实了在薄膜中已经形成了纳米Si晶粒;利用扫描电子显微镜(SEM)对所制备的薄膜进行了形貌表征.结果表明,纳米Si晶粒的分布以及其平均尺寸均相对于轴向呈对称分布,加入散射电场后纳米Si晶粒的分布范围增大,其平均尺寸最大值所对应与靶的轴向夹角变大.利用MATLAB对烧蚀颗粒在散射电场的运动过程进行数值模拟,得到与实验结果一致的规律.     

LiCoO2电极中锂离子的扩散性能

为使锂离子电池在较高的充、放电倍率下满足动力型电源的需要,对LiCoO2中锂离子的扩散性能进行了理论推导及试验测定。以球状电极模型对LiCoO2电极进行了处理,在简化的假设条件下,推导出LiCoO2电极的扩散电流表达式,并可求得锂离子在LiCoO2电极中的固相扩散系数DLi 。研究结果表明:I对t-1/2在10～150s表现出很好的线性关系,与理论分析结果相符合;不同晶粒大小的LiCoO2样品扩散系数有很大差别,相差1个数量级以上;锂离子扩散动力学特征是由LiCoO2的晶粒尺寸决定的,与其粒径分布、比表面积及表面形貌等参数基本无关。     

钒和金纳米晶体晶粒长大临界温度的“尺寸—形状”模型

处于亚稳态的纳米晶体中晶粒在一定临界温度开始长大变为粗晶,该临界温度依赖晶粒中原子迁移所需的能量.根据纳米晶体中晶粒长大的微观过程以及晶粒中原子迁移能量状态与晶粒尺寸、形状的相关性,建立了计算纳米晶粒长大临界温度的"尺寸—形状"模型.基于该模型计算了钒和金纳米晶体中晶粒长大的临界温度,结果表明纳米晶粒长大的临界温度随晶粒尺寸的减少而降低,并且与晶粒形状相关,表现了明显的"尺寸—形状"效应.该理论模型计算结果与实验结果相吻合.     

纳米晶体材料不同晶粒尺寸与取向分布下力学性能的有限元分析

基于考虑晶粒尺寸和取向的弹性黏塑性本构模型,针对3组不同尺寸和取向分布的数字化微观结构模型,采用有限元模拟的方法分析晶粒尺寸和取向分布对纳米晶体材料拉伸力学性能的影响。结果表明:晶粒的尺寸和取向对纳米晶体材料的力学性能有着很明显的影响,且晶粒尺寸分布对力学性能的影响比取向分布的影响要显著。同时,尺寸均匀分布的晶粒中产生的剪切带相对于非均匀分布的晶粒中产生的要均匀,可以减小材料软化的局部性,较好地提高了材料的拉伸强度和韧性。     

多晶体金属疲劳寿命的非平衡统计模型

为了研究晶粒尺寸对多晶体金属疲劳寿命的影响，基于疲劳断裂非平衡统计理论和界面能模型，导出了多晶体金属的疲劳寿命随晶粒尺寸和应力振幅的变化公式．在其它参数保持不变的情况下，得出细晶粒多晶体金属的平均疲劳寿命随晶粒尺寸和应力振幅的增加而减小的结论．并对2种特定细晶粒多晶体材料的晶粒尺寸和应力振幅对疲劳寿命影响的理论结果与实验结果进行了比较．结果表明所得理论与实验结果比较吻合。     

工艺参数对棒材粗轧过程晶粒尺寸影响模拟

利用商业有限元分析软件MSC．Marc,建立了轴承钢GCr15棒材六道次粗轧过程的三维有限元模型．借助MSC．Marc的二次开发功能,将轴承钢GCr15的微观组织演变模型与棒材粗轧过程的热力耦合有限元模型相结合,模拟了不同工艺参数下奥氏体晶粒尺寸的演变过程．模拟结果表明,粗轧过程中轧件中心奥氏体的晶粒尺寸随着轧制温度的升高而增大;轧制速度对晶粒尺寸的演交基本没有影响;初始晶粒尺寸和轧辊辊缝的大小对奥氏体晶粒尺寸的演变过程有一定影响,但对六道次粗轧后的晶粒尺寸影响不大．实际工艺参数下模拟得到的轧件内部晶粒尺寸与实测值吻合较好．     

TiN晶体尺寸与其力学性能的第一性原理研究

 纳米多晶体材料因其独特的力学性能而成为当前材料科学领域的研究热点之一,尤其是晶粒尺寸对其力学性能的影响倍受关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,模拟计算了晶粒尺寸为0.6387—2.332nm的TiN的力学性能,得到应力应变关系及屈服强度。计算结果表明,随着晶粒尺寸的增加,TiN的屈服强度降低,晶粒呈现软化趋势。通过对应力-应变曲线分析可知：TiN在应变5%处开始屈服,其屈服强度大约为21.5GPa;抗拉强度发生在应变约为15%时,且随着晶粒尺寸的增加,抗拉强度降低。本文对照了屈服极限的计算值和有限元方法的拟合值,讨论了实验中TiN表面的微观结构与硬度、弹性模量的关系。研究表明,TiN试样中的缺陷对其硬度和强度有很大影响。     

DP590级双相钢奥氏体晶粒长大模型

通过改变保温温度和保温时间研究了DP590级双相钢奥氏体晶粒长大行为,并探讨了加热速率对各温度下初始晶粒尺寸的影响规律.初始晶粒尺寸随着加热速率增加而不断降低,并最终趋于定值;奥氏体晶粒尺寸随保温时间的延长不断增大并最终趋于不变.采用Sellars晶粒长大模型对实验数据进行拟合,为避免处理方法不同造成的处理结果偏差,提出了一种新的实验数据处理方法,并建立了双相钢初始晶粒尺寸模型和晶粒长大模型.所得模型参数更加合理可靠,计算结果与实验结果吻合很好.