映像力对高纯铝自由表面附近位错组态的影响

采用分析位错映像力的方法研究了纯铝表层区域直螺、直刃位错所承受的滑移应力,理论上计算出映像应力作用下直螺、刃位错临界滑移距离和纯铝表层低位错密度区尺寸.讨论了直刃位错临界攀移距离和温度的关系,指出了表面上相对稳定的位错组态.     

激光烧蚀制备纳米Si晶粒的激光能量密度阈值

在10 Pa的Ar环境气氛下,采用脉冲激光烧蚀方法在玻璃或单晶Si(111)衬底上制备了纳米Si晶薄膜. 为了确定能够形成纳米Si晶粒的激光能量密度阈值,在0.40～1.05 J/cm2内实验研究了激光能量密度对纳米Si晶粒形成的影响. 扫描电子显微镜(SEM)测量证实,随着激光能量密度的减小,所形成的纳米Si晶粒数目逐渐减少. 当激光能量密度低于0.43 J/cm2时,衬底表面不再有纳米Si晶粒形成. 从激光烧蚀动力学角度出发,对实验结果进行了定性分析.     

脉冲电子束照射下材料表面熔化深度的数值解析

根据温度场热传导基本方程,建立用于脉冲电子束加工的有限元模型,提出一种脉冲电子束对材料表面熔化深度进行数值解析的方法.采用均匀体热源的热加载方式,对电子束熔化材料表面后的温度场进行数值解析,分析不同加速电压、电子束能量密度以及能量均匀性对材料熔化深度的影响,归纳了能量均匀度0.9～1.0、能量密度2～17 J/ cm2、加速电压25～50 kV情况下材料表面熔化深度曲线,得到了表面熔化层深的变化规律,为电子束对模具表面精密光整加工提供了理论依据.     

TEA CO2脉冲激光辐照光导型HgCdTe探测器研究

在恒压偏置条件下,采用脉冲横向激励大气压CO2激光器对响应波长为8～12μs的PC型红外HgCdTe探测器进行辐照,分析了不同能量密度激光辐照下探测器的输出波形和干扰区时间长度.实验结果表明:探测器输出信号与激光能量密度密切相关;当辐照能量密度ρ<0.012 5J/mm2,激光脉冲到达光敏面时探测器输出信号急剧下降,激光辐照结束探测器立即恢复到无光照状态;当0.012 5≤ρ≤96.725 0J/mm2时,探测器的输出畸变会持续几μs后开始上升,随着能量密度增大,持续时间和畸变区的积分面积略有增大;当ρ>102.174J/mm2时,探测器的输出会出现多次振荡;当激光辐照能量密度为284.000J/mm2时,探测器信号发生畸变的时间达144μs左右.     

初始原子排列对亚晶界湮没影响的晶体相场模拟

【目的】研究初始原子对亚晶界湮没机制的影响。【方法】采用晶体相场模型模拟亚晶界结构在应力作用下的湮没过程,并从位错运动和能量变化角度对湮没过程进行分析,同时讨论初始原子在两晶粒交界处的对齐程度对其后亚晶界湮没的影响。【结果】研究表明,初始晶界原子排列错位1/4晶格常数时,首先位错在晶界处攀移,然后位错同时分离成两个,一个分离出的位错停留于原位,另一个则进入亚晶内部进行攀移和滑移直至相遇湮没,之后原来停留于原位的位错在攀移一段时间后也进入亚晶内部进行攀移和滑移,最终相遇湮没,形成单晶。而初始晶界原子排列错位1/2晶格常数时,湮没过程与初始晶界原子排列错位1/4晶格常数时的情况存在很大的差异。【结论】亚晶界湮没过程中,位错直接进入亚晶内部进行攀移和滑移,位错间发生复杂的相互作用,最终位错全部湮没,形成单晶。同时体系能量将随应力的增加而波动下降,形成4个明显的峰谷。     

高应变率拉伸下纳米空洞的成核与早期生长

利用分子动力学方法研究了单晶铜中纳米空洞的成核与早期生长过程.研究结果表明：高应变率拉伸作用下,在缺陷原子或空位密集区首先启动（111）-[211],（111）-[211],（111）-[211],（111）-[211]4个滑移系的位错.空洞在特定滑移系层错交叠,即（111）-[211]和（111）-[211]滑移系的层错交叠以及（111）-[211]和（111）-[211]滑移系的层错交叠形成的空穴串处成核.这些空穴串分别沿[011]和[011]方向,与加载方向垂直.相对于其他的滑移系交叠,这种滑移系交叠形成的空穴串的截面积最大.此后,空洞通过发射位错长大,形状类似长条形;伴随其他类型位错的生长,空洞逐渐演化为柱形-椭球形-类球形.对于含双空洞的单晶铜体系,受已存空洞周围应力分布的影响,多个滑移体系同时启动,空洞在3个滑移系的层错交汇点的空穴处成核,其形状受交汇处位错线运动方向的影响,类似扁三角形,并在位错的滑移和攀移作用下逐渐演化为类球形.我们根据畸变场计算了3个层错面交叠处的空穴体积,发现108个不同交叠构型中,只有4种构型的交叠引起的空穴体积最大,空洞成核容易,其他情况不能使空洞成核.     

单晶铜中纳米空洞的特性研究

利用分子动力学方法研究了单晶铜中球形空洞在冲击波下的演化过程.模拟结果表明在冲击波作用下,空洞周围原子发生滑移,已滑移和未滑移的边界形成位错环.不同位错环处的生长速度不同.     

金属镁非共面位错相互作用强度的位错动力学模拟

采用位错动力学方法模拟金属镁在塑性变形过程中的基面、柱面及一阶锥面位错非共面相互作用,利用扩展Taylor硬化方程计算潜硬化系数,探讨位错相互作用强度及其影响因素。研究结果表明,位错相互作用强度随滑移机制以及主滑移系与林滑移系的交换而变化,表现出显著的各向异性和非对称性。共线基面/柱面相互作用最强,非共线柱面/基面相互作用最弱,相应的潜硬化系数分别为0.43和0.11。共线相互作用下主位错长度由于位错湮灭明显比非共线相互作用下的小,非共线作用下则形成大量位错交结或交叉态位错。虽然共线相互作用总体上略强于非共线作用,但特定主位错-林位错相互作用对的共线与非共线作用相对强弱随非共线作用下形成的交结性质而变化。当非共线相互作用形成固着交结或交叉态时,非共线作用强度高于共线作用强度,而当形成的交结为可动交结时则弱于共线作用强度。充分考虑位错可动性及摩擦阻力的差异是有效预测位错相互作用强度及其各向异性的重要前提。     

高温预熔化晶界位错的结构组态转变的探究

晶体材料的性能受其内部晶界特性的影响。在高温下,晶体材料在晶界上易发生预熔化。本研究采用晶体相场(PFC)方法模拟高温二维六角晶体的晶界预熔化区在双轴加载作用下的结构演化情况。结果显示,晶界位错会发生配对,形成具有对称结构的位错团,一对位错上下排列,另一对位错左右排列,构成4个位错的组合。随着施加的应变增大,晶界位错预熔化区域横向扩展,其形状最初为棒状,逐渐转化为六边形,再转变成“V”形,最后又收缩为六边形。晶界预熔化区的形状变化伴随着内部位错结构的转变,从而发生位错芯扩展,原来上下配对的位错转变为并行排列的位错,左右排列的位错发生扩展滑移,并在左右两端萌生出一对新的位错。当预熔化区域扩展达到横向最宽时,该区域发射一对位错,随后预熔化区域开始收缩,最后又恢复到初始的形状。上述结果表明,位错结构的组态转变对晶体材料的高温变形机制能产生强烈的影响。     

微裂纹愈合过程的分子动力学模拟

对铝单晶中心贯穿微裂纹的愈合过程进行了分子动力学模拟.结果表明,当加热温度超过临界温度,或外加压应力K1超过临界值时微裂纹将完全愈合.在裂纹愈合过程中伴随着位错的产生和运动,以及孪晶和空位的产生及变迁.裂纹愈合的临界温度和裂纹面的相对取向有关;沿滑移面的裂纹最容易愈合.如果晶内预先存在位错(预先塑性变形),则可使裂纹愈合的临界温度明显降低.裂纹愈合的能量关系为πσ2(1-v2)/E+TS/A≥2γ+γp*,其中σ为压应力,T为温度,S为熵,A为裂纹面积,γ为表面能,γp*为塑变功.     

疲劳Cu单晶驻留滑移带演化的观察及其应力场的计算模拟

利用扫描电镜电子通道衬度技术,对单滑移取向下,疲劳过程中Cu单晶从基体脉络位错结构到驻留滑移带(PSBs)位错结构的演化进行了观察.观察表明,PSBs的形成可以分为4个阶段,即脉络、通路、萌芽、真正形成完整的PSB位错结构.对以上4个阶段中典型位错结构的演化进行了模拟,并利用三维离散位错静力学方法给出了PSBs演化过程中典型位错结构内应力场的分布,相应地,利用有限元方法计算了外应力场的分布.结果表明:在从基体脉络位错结构到PSBs位错结构的演化过程中,内应力的分布是不均匀的.在通路和萌芽的尖端平均内应力没有太大的变化,而此处的平均外应力却比其他区域高,外应力提供了通路和萌芽长大的驱动力.在PSBs与基体边界处,内应力和外应力的值都急剧变化,因此存在切应变的不连续,积累到一定程度就会出现裂纹.     

一种[001]取向镍基单晶高温合金蠕变特征

研究了一种[001]取向镍基单晶合金的蠕变特征和变形期间的微观组织结构.结果表明:在低温高应力和高温低应力条件下,合金具有较长的蠕变寿命和较低的稳态蠕变速率;在700℃,720MPa条件下,透射电镜(TEM)观察显示蠕变期间的变形特征是12<110>位错在基体中运动,发生反应形成13<112>超肖克利(Shockley)不全位错,切入γ′相后产生层错.在900℃,450MPa条件下,没有出现蠕变初始阶段,γ′相从立方体形态演化成筏形;在加速蠕变阶段,多系滑移开动,大量位错剪切γ′相是变形的主要机制.在1070℃,150MPa条件下,γ′相逐渐转变成筏形组织,并在γ/γ′界面处形成致密的六边形位错网,位错网可以阻止位错切入γ′相,提高蠕变抗力;在蠕变后期,位错以位错对形式切入γ′相,是合金变形的主要方式.     

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。     

金属及其合金中注入离子引发的基体长程效应

为研究金属及其合金基体中不同固溶度的注入离子引发的长程效应,采用固溶度相差较大的元素以及单晶和多晶为分析材料,用透射电子显微镜弱束成像技术研究了被注入材料的横截面样品.结果表明:铁、钨在单晶铜、多晶奥氏体不锈钢中固溶度很低,长程效应明显,在基体表层有位错密度峰值;注入离子剂量增加时,甚至出现两个位错密度峰值.钼和铁在奥氏体不锈钢中有较高的固溶度,注入离子在基体表层没有位错密度峰值出现.     

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。     

铜单晶驻留滑移带演化的实验观察与形成机制

在室温下采取恒塑性应变幅控制研究了单滑移取向[123]铜单晶体的循环形变过程.塑性应变幅为1×10-3.通过扫描电子显微镜-电子通道衬度(SEM-ECC)技术对同一试样在不同循环周次进行疲劳过程位错组态演化,以及驻留滑移带(PSB)的形成和它的表面形貌观察.对比了不同周次的位错组态,从而把疲劳过程的早期位错演化分为主滑移平面上的主刃型位错和基体位错墙间的螺型位错段起主要作用的两个阶段.同时也提出了一个关于PSB形成的可能机制:当基体位错墙的间距与墙的宽度都达到一临界值时,由于基体位错墙两边的螺型位错段对基体位错墙施加不平衡的作用力,当此力达到临界值时导致基体位错墙的连锁性破坏,从而形成驻留滑移线(PSL).随着循环周次的增加,与PSL相邻的螺型位错段继续作用而最终导致PSB的形成.     

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。     

坩埚下降法生长红外砷化镓晶体的研究

利用坩埚下降法生长红外砷化镓晶体,坩埚下降炉控温1 260℃,晶体以2.5mm/h速度在温度梯度为10℃/cm的条件下结晶生长.PBN坩埚外壁黏附有气相自发成核、尺寸为1~3mm的砷化镓单晶颗粒.生长的砷化镓晶体直径约50.8mm,总长约140mm.晶体头部放肩阶段存在异相成核,尾部出现多晶.截断后获得的砷化镓单晶长约100mm,成晶率达70%.砷化镓单晶结晶质量良好,头尾平均位错密度分别为868cm-2和1 436cm-2,电阻率达107Ω·cm量级.砷化镓单晶整体红外透过率约为55%,接近最高理论透过率55.8%.满足工业界使用要求.     

γ-TiAl单晶纳米杆拉伸变形的分子动力学研究

室温(300 K)情况下,利用分子动力学方法对γ-TiAl单晶纳米杆的拉伸变形过程进行了模拟研究,得到了应力应变曲线,并对其变形机理进行了分析,结果表明,γ-TiAl单晶纳米杆在室温下的形变机制为1/2[-1-10]普通位错及孪生,且首先发生1/6[-1-12]的孪生形变,随后通过部分位错1/6[-2-1-1]和1/6[-1-21]的反应形成1/2[-1-10]普通位错.     

飞秒激光与硅样品作用生成纳米光栅结构

我们用脉冲宽度120 fs、波长800nm、能量密度从0.1 J/cm2~0.5 J/cm2的激光束照射硅样品和锗硅合金样品表面能够生成各种低维形貌结构。特别是将飞秒激光束散焦至直径为100μm的束斑,并以每秒1000个脉冲照射硅样品表面两秒钟时(能量密度在熔融阈值0.2 J/cm2附近),能生成周期间隔为400nm的浮雕光栅状的一维微结构。我们用飞秒激光与其诱导的等离子体波的相干模型解释了光栅状微结构的形成机理。还发现这种结构有很强的PL发光,PL峰的中心约在719nm处。该飞秒激光加工技术既简捷又稳定,在光学和微电子加工领域应有很好的应用前景。