納米孿晶多晶結(jié)構(gòu)中孿晶和晶粒交互演化的數(shù)值模擬.pdf

1、納米孿晶多晶材料由于存在大量高密度共格/非共格孿晶界，可以同時(shí)具有高強(qiáng)和高韌的卓越性質(zhì)已經(jīng)成為研究的焦點(diǎn)。這種高強(qiáng)高韌的卓越性質(zhì)具有尺寸效應(yīng)，依賴(lài)于孿晶的寬度以及晶粒尺寸。最近，有人通過(guò)金納米薄膜受疲勞載荷作用的實(shí)驗(yàn)，基于原子尺度的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)在納米尺度上，孿晶可以有效地協(xié)助晶粒粗化、生長(zhǎng)。探究和理解這種現(xiàn)象的物理機(jī)制對(duì)于材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和獲得高強(qiáng)高韌材料有著重要意義。本文通過(guò)結(jié)合晶粒生長(zhǎng)模型和孿晶形核生長(zhǎng)模型建立了一個(gè)統(tǒng)一的連續(xù)相場(chǎng)

2、模型，分別在雙晶構(gòu)型和多晶構(gòu)型中模擬了不同條件對(duì)孿晶形成和晶粒生長(zhǎng)之間關(guān)系的影響，進(jìn)一步為了從原子尺度觀察行為，用晶體相場(chǎng)法進(jìn)行了初步嘗試，主要工作可歸納如下:
　　基于傳統(tǒng)的晶粒生長(zhǎng)相場(chǎng)模型和孿晶形核生長(zhǎng)相場(chǎng)模型，發(fā)展了一個(gè)可用于模擬孿晶形成和晶粒生長(zhǎng)之間關(guān)系的相場(chǎng)模型。該模型基于體系彈性能和界面能之間競(jìng)爭(zhēng)的熱力學(xué)分析，本征應(yīng)變中（體現(xiàn)晶粒和孿晶的耦合作用）既包含晶粒序參量、又包含孿晶序參量，把體系的總自由能表示成晶粒、孿晶序參

3、量的函數(shù)，分別帶入晶粒、孿晶的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)演化方程，讓兩者同時(shí)演化。測(cè)量孿晶變體各項(xiàng)異性生長(zhǎng)的角度和孿晶理論不變平面應(yīng)變的取向完全一致，初步證明了第二章建立的相場(chǎng)模型的正確性和可行性。
　　在雙晶構(gòu)型中探究了外載、晶粒間取向錯(cuò)配角對(duì)孿晶形成和晶粒生長(zhǎng)之間關(guān)系的影響。在一定的外載作用下，調(diào)節(jié)晶粒間取向錯(cuò)配角，我們得到了孿晶形成與晶粒生長(zhǎng)之間的三種微觀結(jié)構(gòu)演化模態(tài);進(jìn)一步調(diào)節(jié)外載、晶粒間取向錯(cuò)配角，通過(guò)大量的數(shù)值模擬，我們得到了這兩個(gè)參

4、數(shù)控制下孿晶形成和晶粒生長(zhǎng)之間微觀結(jié)構(gòu)三種演化模態(tài)構(gòu)成的相圖。
　　隨機(jī)生成一個(gè)多晶構(gòu)型，將雙晶構(gòu)型拓展為多晶構(gòu)型，模擬了任意多晶構(gòu)型下孿晶形成和晶粒生長(zhǎng)之間的關(guān)系，比較傳統(tǒng)晶粒生長(zhǎng)模型和第二章建立相場(chǎng)模型下的模擬結(jié)果，我們得到孿晶形成可以有效促進(jìn)晶粒生長(zhǎng);在建立的相場(chǎng)模型中比較不同外載對(duì)模擬結(jié)果的影響，我們得到外載存在一個(gè)臨界值，只有大于臨界值時(shí)，孿晶才能形成進(jìn)而促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，并且外載越大，晶粒生長(zhǎng)速率越快，孿晶促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)的效

5、果越顯著;考慮了動(dòng)力學(xué)因素，比較了孿晶遷移率與晶界遷移率相當(dāng)及孿晶遷移率遠(yuǎn)大于晶界遷移率、孿晶遷移率遠(yuǎn)小于晶界遷移率等情況，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)孿晶遷移率和晶粒遷移率相當(dāng)時(shí)，孿晶形成并能有效促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，并且繪制了多晶構(gòu)型中孿晶與晶粒耦合微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)仍然存在類(lèi)似于雙晶構(gòu)型下孿晶形成和晶粒生長(zhǎng)之間的三種微觀結(jié)構(gòu)演化模態(tài)。
　　運(yùn)用晶體相場(chǎng)法，我們模擬得到了孿晶的原子排列結(jié)構(gòu)，并在單軸壓縮條件下，模擬了不同晶粒取向錯(cuò)配角時(shí)孿晶界和晶