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。     

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。     

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。     

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。     

晶体弹性行为的晶体相场模拟

【目的】研究晶体相场模型中的弹性相互作用过程。【方法】通过连续的密度场,采用晶体相场模型提取和跟踪每个原子在时间演化过程中的位置,再通过求解PFC方程,并运用原子的位移来构建晶体的弹性能。最后通过调优波动参量和阻尼参数β,获得晶体的弹性及粘弹性行为特征。【结果】当β=0.9时,在力F的作用下,晶体响应是有弹性的。位置距离越远,其对应的应变越大,位移变化与原子对应位置大致成正比,具有弹性关系;当β=9时,在力F的作用下,位移变化与原子对应位置服从粘弹性响应关系。通过调优波动参量和阻尼参数,获得晶体的弹性及粘弹性行为特征。【结论】改变阻尼参数β后,可以采用晶体相场模型模拟晶体的弹性及粘弹性行为。     

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。     

材料裂纹扩展分叉机理的晶体相场法研究

[目的]进一步探索材料裂纹扩展分叉的机理。[方法]采用晶体相场模型研究平面应力作用下材料裂纹扩展的动态演化过程,分析裂纹扩展过程体系自由能G、裂纹面积分数S、裂口周长L的变化特征;分别从G、S、L的变化阐述裂纹扩展以及三者与裂纹扩展临界应变εc的对应关系;探讨裂口扩展和主裂纹分叉与体系能量G的内在关联。[结果]无应力施加时期,裂纹面积分数S和裂口周长L没有变化;施加拉伸应力后,当系统应变达到一定程度时,S和L开始同时增加,此时的应变大小对应于裂纹启裂临界应变εc值。[结论]应力施加导致材料中心裂口处应力集中,体系能量上升,系统能量曲线一阶导数的拐点对应于中心裂纹启裂时刻或临界应变。自由能曲线一阶导数拐点处能量上升速率变缓,表明此时弹性应变能得到释放。     

晶体相场模拟取向角对晶界湮没过程的影响

【目的】研究大角晶界的位错运动和相互作用,揭示晶界发射位错的内在原因。【方法】采用晶体相场模型模拟不同取向角的晶界位错湮没过程。【结果】晶界湮没有如下主要过程:开始时位错沿晶界攀移,随后晶界发生位错发射,位错运动方式由攀移转化为滑移;位错滑移穿过晶粒内部,在到达对面晶界处发生湮没;其余的晶界位错仍作攀移运动,再次出现晶界发射位错;滑移位错与其它位错在晶内相遇发生湮没。【结论】位错在晶界处湮没,自由能曲线的谷较浅,而在晶粒内部湮没,能量曲线的谷较深;晶界攀移的位错越多,能量曲线的峰越高。     

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。