凸曲率衬底外延生长界面演化的晶体相场模拟

【目的】采用晶体相场模型模拟衬底分别为平面和凸面时外延层的生长过程。【方法】研究晶格错配度较大(ε=0.10)且衬底倾角较小(2~5°)时,系统自由能和外延层总原子数的变化,分析衬底曲率和衬底倾角对系统自由能曲线和总原子数曲线的影响。【结果】研究表明:衬底曲率为平面时,系统自由能随着倾角的增加而增加,外延层总原子数也随着倾角的增加而增加;衬底曲率为凸面时,系统自由能随着倾角的增加而减少,外延层总原子数也随着倾角的增加而减少。【结论】通过微调衬底的倾角能改变系统的自由能和外延层总原子数。     

缺陷预熔化现象的晶体相场模拟

【目的】研究外应变作用下BCC晶体中晶界和位错的预熔化现象,揭示晶界预熔化的机理。【方法】构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用项的三维体系自由能函数,并建立以温度为主要参数的晶体相场模型,模拟三维情况下某一平面的晶界和位错的预熔现象。【结果】随着温度的升高,位错熔解的区域不断扩大,在接近熔点温度时晶界处的位错首先诱发晶界出现预熔化现象;当熔解趋于稳定后,在应力作用下,开始出现位错滑移现象,同一水平直线上的一组位错对相互靠近,最终湮没变为一个完整晶界。【结论】体系的温度影响并决定位错的熔解。体系温度越高,位错处的熔解就越容易进行。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高温应变下的亚晶界湮没与位错旋转机制的晶体相场模拟

采用先进的晶体相场模型,分别模拟了不同高温条件下的小角对称倾侧晶界,在施加应变下的晶界分解和亚晶界湮没的过程.研究表明:对于不靠近固-液共存温度的高温(T1)预熔化样品,施加应变下的晶界位错发生滑移运动,生成亚晶界和新的晶粒.随后,具有相反Burgers矢量的位错亚晶界相向运动,新晶粒不断吞噬旧晶粒而长大,最后发生亚晶界相遇湮没,亚晶界和预熔化区域消失,双晶转变为完整单晶.对于靠近固-液共存温度的高温(T2)预熔化样品,在应变作用下,生成的亚晶界相向运动,当接近到一定距离时,形成位错对偶极子,发生亚晶界位错结构二次转换,之后亚晶界运动反向,往回迁移运动,最后与另一列返回的亚晶界相向靠近,相互作用转变成"之"字形的亚晶界,然后湮没消失,整个体系转变为单晶.对于高温T2预熔化亚晶界,在应变作用下,形成位错对偶极子的过程中,偶极子的2个位错对的预熔化区域开始扩张、连通,形成近似棒状区域.这一过程的实质是高温预熔化区内部的原子晶格变软,使得在应变作用下,原子排列可以较容易的发生滑移和扭转变形,发生了不同类型的位错相互作用,出现了位错萌生、形核和增殖,位错分解和湮没等一系列位错反应,由此引起了位错的Burgers矢量方向的改变和亚晶界位错类型交换.     

三叉晶界迁移的晶体相场研究

【目的】研究三叉晶界对晶界迁移的影响。【方法】采用晶体相场(Phase Field Crystal,PFC)方法模拟包含一个环形晶粒的三晶系统中三叉晶界的迁移过程。【结果】环形晶粒在演化过程中不断收缩,三叉晶界迁移具有自相似性;三叉晶界迁移速率与晶界曲率成正比。【结论】三叉晶界对晶界迁移有拖曳作用,且晶界曲率越小,拖拽作用越明显。