晶界滞弹性弛豫理论的现代进展

上世纪中期,人们通过扭摆试验测量内耗,发现晶界滞弹性弛豫峰．后来尽管很多学者提出了各种理论模型,但晶界滞弹性弛豫的微观机理仍然是不清楚的．最近,Xu根据弹性应力引起晶界溶质偏聚或贫化实验结果,提出了晶界滞弹性弛豫的微观机理是晶界吸收或发射空位,建立了晶界滞弹性弛豫的平衡方程和动力学方程,解析地表述了晶界滞弹性弛豫过程,并成功地阐明了普遍存在于金属中的中温脆性峰温度移动现象．本文将综述晶界滞弹性弛豫理论的这一现代发展．     

高温塑性变形引起的P非平衡晶界偏聚

阐述了高温塑性变形引起的非平衡晶界偏聚的准热力学和动力学,并使用该模型预测了低合金结构钢中高温塑性变形导致的P在奥氏体晶界的非平衡偏聚.研究发现：当变形为20%,应变速率为1×10^-3 s^-1时,在800 ℃左右会出现一个P的晶界偏聚浓度峰值;在1000 ℃变形为20％时,晶界偏聚浓度随着应变速率的增加而增加.预测结果与现有的实验结果基本一致. 关键词： 非平衡偏聚 晶界 塑性变形 磷     

金属脆性的俄歇分析

研究金属的脆性,防止金属材料的脆断,是一个十分重要的课题.近年来。随着俄歇电子谱仪等表面分析仪器的发展和应用,人们对金属的脆性,特别是晶间脆性有了更深入的了解.利用俄歇谱仪等表面分析仪器,研究元素在金属晶界上的析聚以及由此而引起的变脆现象,已经成为表面科学研究的一个重要内容. 晶间断裂是金属脆性断裂的一种特殊形式,也是常用的金属结构材料发生脆断的一种主要形式.要了解金属产生晶间断裂的原因,就要对材料的断口进行直接观测.人们曾广泛使用扫描电子显微镜、选区电子衍射、电子探针等手段,来确认晶界析出物的形貌、晶体结构…     

金属的超塑性及其应用

一、引 言 塑性是金属材料的重要属性之一.塑性的大小表示材料能承受永久变形而不破坏的能力.工程技术上为了能对各种材料的塑性进行比较,它一般是用拉伸试验的延伸率或断面收缩率来表示.对于工业用的金属和合金来说,延伸率或断面收缩率都不高,大都在百分之几十的范围内,即使在高温下也很少超过100%.然而有些金属或合金却能在一定的条件下表现出令人惊异的大延伸,同时变形抗力急剧减小,这就是本文将要介绍的超塑性.显然,这种现象无论从理论研究角度或实用角度来说都是非常有意义的. 金属的超塑性现象最早是由Rosenhein于1921年发现的.1934…     

多孔金属薄膜阻尼减振微观机理研究

研究了多孔金属薄膜的阻尼性能和微观机理. 采用分子动力学方法及扫描电镜(SEM) 原位观察实验手段对多孔金属薄膜阻尼进行研究, 得出金属薄膜应变滞后于应力周期性变化以及弹性势能周期性衰减的规律, 并通过应变滞后应力的时间差求得损耗因子; 从微观结构上可看出, 在薄膜孔缺陷附近\langle110angle晶向上经历了位错产生、 并且位错呈阶梯状向前发射的变化; 在SEM原位拉伸、卸载实验中观察到有微裂纹的萌生、斜向阶梯扩展、收缩及消失的周期过程. 结果表明: 在周期载荷作用下, 多孔金属薄膜的孔缺陷附近产生的位错可以挣脱开弱钉扎点并限制在强钉扎点上, 由于位错的变化及附近晶界间的相对滑动产生内摩擦, 消耗了系统的部分弹性势能, 引起金属薄膜的阻尼减振效应, 从而揭示了多孔金属涂层阻尼产生的微观机理.     

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

纳米多晶铜的超塑性变形机理的分子动力学探讨

在聚能装药爆炸压缩形成射流的过程中, 伴随着金属药型罩的晶粒细化, 从原始晶粒30-80 μm细化到亚微米甚至纳米量级, 从微观层面研究其细化机理和动态超塑性变形机理具有很重要的科学意义. 采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的单轴拉伸变形行为, 得到了不同晶粒尺寸下的应力-应变曲线, 同时计算了各应力-应变曲线所对应的平均流变应力. 研究发现平均流变应力最大值出现在晶粒尺寸为14.85 nm时. 通过原子构型显示, 给出了典型的位错运动过程和晶界运动过程, 并分析了在不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的塑性变形机理. 研究表明: 当晶粒尺寸大于14.85 nm时, 纳米多晶铜的变形机理以位错运动为主; 当晶粒尺寸小于14.85 nm时, 变形机理以晶界运动为主, 变形机理的改变是纳米多晶铜出现软化现象即反常Hall-Petch关系的根本原因. 通过计算结果分析, 建立了晶粒合并和晶界转动相结合的理想变形机理模型, 为研究射流大变形现象提供微观变形机理参考.     

单晶钨纳米线拉伸变形机理的分子动力学研究

利用分子动力学方法, 对本课题组率先采用金属催化的气相合成法制备出的高纯度单晶钨纳米线进行拉伸变形数值模拟, 通过分析拉伸应力-应变全曲线及其微观变形结构, 揭示出单晶钨纳米线的拉伸变形特征及微观破坏机理. 结果表明: 单晶钨纳米线的应力-应变全曲线可分为弹性阶段、损伤阶段、相变阶段、强化阶段、 破坏阶段等五个阶段, 其中相变是单晶钨纳米线材料强化的重要原因; 首次应力突降是由于局部原子产生了位错、孪生等不可逆变化所致; 第二次应力突降是发生相变的材料得到强化后, 当局部原子再次产生位错导致原子晶格结构彻底破坏而形成裂口、且裂口不断发展成颈缩区时, 材料最终失去承载能力而断裂. 计算模拟得到的单晶钨纳米线弹性模量值与实测值符合较好. 关键词： 分子动力学 应力应变曲线 微观机理 单晶钨纳米线     

晶体相场法模拟纳米晶材料反霍尔-佩奇效应的微观变形机理

采用晶体相场模型模拟获得了平均晶粒尺寸从11.61–31.32 nm的纳米晶组织, 研究了单向拉伸过程纳米晶组织的强化规律的微观变形机理. 模拟结果表明: 晶粒转动、晶界迁移等晶间变形行为是纳米晶材料的主要微观变形方式, 纳米晶尺寸减小, 有利于晶粒转动, 使屈服强度降低, 显示出反霍尔-佩奇效应.当纳米晶较小时, 变形量超过屈服点达到4%, 位错运动开启, 其对变形的直接贡献有限, 主要通过改变晶界结构而影响变形行为, 位错运动破坏三叉晶界, 引发晶界弯曲, 促进晶界迁移. 随纳米晶增大, 晶粒转动困难, 出现晶界锯齿化并发射位错的现象. 关键词： 晶体相场 纳米晶 反霍尔-佩奇效应 微观变形     

温度和应变速率耦合作用下纳米晶Ni压缩行为研究

本文利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米晶Ni在不同温度和宽应变速率条件下的压缩行为. 借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微镜及高分辨透射电子显微镜方法, 对纳米晶Ni的压缩塑性变形机理进行了表征. 研究表明, 在较低温度条件下, 纳米晶Ni的塑性变形主要是由晶界位错协调变形主导, 晶界本征位错引出后无阻碍的在晶粒内无位错区运动, 直至在相对晶界发生类似切割林位错行为. 并且, 在协调塑性变形时引出位错的残留位错能够增加应变相容性和减小应力集中; 在室温条件下, 纳米晶Ni的塑性变形机理主要是晶界-位错协调变形与晶粒滑移/旋转共同主导. 利用晶界位错协调变形机理和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米晶Ni在不同温度、不同应变速率条件下力学压缩性能差异的内在原因.     

含扭转晶界位错Al金属拉伸强度第一性原理预测

本文基于密度泛函理论第一原理方法,从影响力学性能本质的电子结构计算上,对含Σ 5{001}扭转晶界位错Al金属拉伸强度进行了预测,发现其理论拉伸强度达到8.73 GPa,临界应变为 24%.拉伸强度低于文献报道(Phys. Rev. B 75, 174101 (2007))的倾斜晶界位错Al金属的理论拉伸强度9.5 GPa,但其临界应变却远大于倾斜晶界的16%.本研究结果表明,通过工艺参数控制,改变缺陷形态,可极大地改变其力学性能.进一步地,从电子结构层次上, 分析了含晶界位错Al金属拉伸断裂行为的实质,通过分析电荷密度分布、键长变化等,发现其断裂处发生在晶界处;理论计算结果将对Al金属结构设计及力学性能改善具有重要的指导作用.     

Al晶界的第一性原理拉伸试验

基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理方法，进行了Al晶界的第一性原理拉伸试验.得到Al晶界的理论拉伸强度为9.5 GPa，对应的应变为16%.根据价电荷密度、键长和原子构型随应变的变化，我们证实断裂发生在晶界面，其特征是所有界面键的断裂.同时还发现在周围原子键的数目减少的情况下，界面重构的Al-Al原子键具有共价键的性质.因此Al晶界依然保持着较高的界面强度. 关键词： Al晶界 第一性原理拉伸试验 理论拉伸强度     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

基于微观结构计算晶体宏观弹性应变场

基于晶体的微观结构提出了一种计算晶体宏观弹性应变场的方法,将该方法应用于金属晶体Fe,得到的应变场与连续介质理论预测结果吻合地很好,从而证明了该方法的准确性.以该方法为基础,进一步考虑无限小应变与有限应变的差值,发现应变差值在晶体剧烈变形区域内较强,对金属晶体Cu位错应变场的计算表明这种应变差异可以用来描述位错的运动状态和芯域结构.该方法可为评估晶体缺陷附近应变状态提供依据.     

基于微观结构计算晶体宏观弹性应变场

基于晶体的微观结构提出了一种计算晶体宏观弹性应变场的方法,将该方法应用于金属晶体Fe,得到的应变场与连续介质理论预测结果吻合地很好,从而证明了该方法的准确性.以该方法为基础,进一步考虑无限小应变与有限应变的差值,发现应变差值在晶体剧烈变形区域内较强,对金属晶体Cu位错应变场的计算表明这种应变差异可以用来描述位错的运动状态和芯域结构.该方法可为评估晶体缺陷附近应变状态提供依据.     

固溶处理对Al-Cu合金中Portevin-Le Chatelier效应空域行为的影响

研究了在定加载速率拉伸条件下，固溶处理对Al-Cu合金材料中PLC(Portevin-Le Chatelier)效应空域行为的影响.在较低拉伸速率时，变形初期PLC变形带在试件宽度方向中央附近某点处“成核”.随着变形的继续，出现多带共存的现象.且带宽较小，带与拉伸轴向的夹角较大.在较大拉伸速率条件下，PLC变形带先连续传播，再随机出现. 关键词： PLC效应 动态应变时效 固溶处理     

热加工过程中动态再结晶现象的多相场研究

金属热加工过程中的动态再结晶引起的组织演化难以通过实验实时观察, 本文基于Ginzburg-Landau动力学方程, 构造多相场法与位错密度计算相耦合的物理模型, 模拟了热加工过程中的动态再结晶现象.研究了不同温度和不同应变速率下的动态再结晶过程, 阐述了应力-应变曲线由单峰形式转变为多峰形式的原因.此外, 本文利用多相场法对多阶段变形过程进行了系统模拟, 研究了静态回复对动态再结晶过程的影响, 分析了不同的热加工参数对动态再结晶动力学的影响, 发现在变形间断过程中, 晶粒尺寸不断增大, 较高的变形温度和较低的应变速率可以加速动态再结晶过程.     

钽、铁、钨三种体心立方金属裂纹的多尺度模拟及韧脆性分析

采用多尺度准连续介质法计算模拟了钽、铁、钨三种体心立方(body-centered-cubic,BCC)金属的I型裂纹断裂过程.观察了加载过程中裂纹尖端区域原子的位错、孪晶等塑性变形现象,以及裂纹的脆性开裂和扩展现象.模拟结果表明,不同BCC金属材料的裂纹在相同的加载下有不同韧脆性表现.在一定变形范围内,钽裂纹主要表现出的是裂纹尖端附近区域原子的位错和形变孪晶等塑性变形现象;铁裂纹在变形过程中先后表现出了塑性变形和脆性扩展现象,与实验结果吻合;钨裂纹在变形过程中则主要变现出脆性扩展现象.计算了三种金属材料的广义层错能曲线,得到其不稳定层错能;并分别用两种不同的韧脆性准则,对三种材料断裂模型的韧脆性行为进行分析,计算分析结果与模拟结果一致,从而验证了模拟结果的正确性.     

纳米Ni在77 K温度下压缩行为的研究

利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米Ni在77 K温度下的压缩行为. 室温下纳米Ni 的屈服强度为 2.0 GPa, 77 K温度下的屈服强度为3.0 GPa, 压缩变形量则由室温的10%左右下降到5%. 借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微和高分辨透射电子显微分析, 对纳米Ni的塑性变形机制进行了表征. 研究表明, 在77 K温度下的塑性变形主要是由晶界-位错协调变形主导, 晶界本征位错弓出后无阻碍地在晶粒内无位错区运动, 直至在相对晶界发生类似切割林位错行为. 同时分析了弓出位错的残留位错部分在协调塑性变形时起到的增加应变相容性和减小应力集中的作用. 利用晶界-位错协调机制和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米Ni室温和77 K温度压缩性能差异的内在原因. 关键词： 塑性变形 强度 位错     

单轴拉伸下氧化锆纳米柱相变机理的分子动力学研究

通过分子动力学模拟，观察到[001]取向的四方氧化锆纳米柱在拉伸载荷下具有两个线弹性变形的应力-应变关系.这一现象是四方结构向单斜结构相变的结果 .为了进一步阐明应力-应变曲线，进行了包括晶体结构分析和原子应变计算在内的详细研究.晶格取向强烈影响塑性变形机制，即[001]和[111]取向的纳米柱在拉伸载荷下经历相变，而沿[110]取向的纳米柱导致脆性断裂.观察到显著的温度效应，随着温度从300K升高到1500K，弹性模量从573.45GPa线性降低到482.65GPa.此外，还用轻推弹性带(NEB)理论估算了相变能垒，观察到相变能垒随温度的升高而降低.这一工作将有助于加深对氧化锆的四方相到单斜相转变和纳米尺度力学行为的理解.