相场方法研究定向退火条件下柱状晶粒的形成过程

根据晶界迁移率与温度的关系,将晶粒长大过程控制在一定宽度的热区内,构建了具有无限大温度梯度且在热区内温度均匀的热区模型,并应用相场方法研究了热区温度和热区宽度对单相多晶材料中柱状晶粒结构形成过程的影响。所得晶粒形貌与实验结果吻合。     

晶体相场法研究衬底小倾角对界面形态演化的影响

采用晶体相场模型模拟了异质外延过程中不同衬底倾角时外延层的生长过程,研究了较大晶格错配度(??10.0)时不同衬底倾角下外延层的生长形貌和界面平均厚度,分析了晶格失配和衬底倾角对外延层的影响。研究表明,在错配度较大时,随着衬底倾角的增大,外延层由层状生长(0°与1°)转变为岛状生长(2°)。     

三维晶体相场法模拟位错的预熔及熔解

采用三维晶体相场法模拟位错的预熔及熔解，研究位错发生预熔和熔解的微观组织形貌，通过时间平均原子数密度变化曲线确定位错熔解半径。研究表明，位错可以在温度低于熔点时发生预熔，但熔解速度和规模都很小；当温度达到熔点附近时，位错熔解的规模和速度都变得很大。单一位错会从其核心径向圆形向外熔解，位错熔解半径平方的倒数与温度成线性关系。     

纳米晶体材料中小角度晶界湮没过程研究

本文针对纳米晶材料演化过程中的小角度晶界湮没,建立位错运动方程,计算模拟小角度晶界的晶格位错在外应力的作用下发生的运动,结果表明导致小角度晶界湮没的重要原因是切应力作用,破坏了晶界位错的受力平衡。这种湮没过程导致了高浓度的可整体移动的晶格位错形成。在纳米晶体材料中,这种被施加应力诱发的位错集体迁移,具有可塑的局部流动特性。     

晶体凸面外延生长演化过程的相场模拟

应用晶体相场法,模拟再现晶体凸面异质外延的生长过程。研究表明,当衬底倾角为50错配度为0.05时,外延层并不是单一模式进行生长,外延层表面会存在断层现象;当衬底倾角为70时,错配度较小时外延层以岛状模式生长,生长完成后,不产生位错;错配度较大时,外延层以岛状和层状相结合的模式生长,生长完成后产生位错。     

纳观尺度裂纹扩展微观机理的晶体相场法研究

采用晶体相场方法模拟不同预变形量的样品在单轴拉应变作用下的纳观裂纹扩展行为.观察纳观尺度的裂纹演化过程,结果表明：对于无预变形的样品,在拉应变作用下,由于裂口处应变集中,当应变量达到临界值时,裂口开始起裂并伴随位错出现,随着裂尖的前进位错伴随着裂尖而滑移.对于预变形的样品,在较小的临界应变值裂口起裂,且预变形量越大,裂纹越易起裂和扩展.在裂纹扩展早期阶段呈现出扩展-转向-扩展的长大特征,其本质是裂纹扩展由于裂尖附近的位错滑移受阻引起应变集中,造成主次原子晶面方向的原子键交替断裂,使得裂尖扩展沿[√3,1]和[√3,-1]方向交替改变而前进,裂纹边缘呈锯齿形状.样品的裂纹扩展后期出现显著的类似解理裂纹扩展行为,解理方向沿[√3,1]和[√3,-1]方向,且预变形量大的样品裂纹解理扩展更明显且扩展较快.     

韧性材料的微裂纹扩展与分叉的晶体相场模拟

采用晶体相场方法研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展与分叉的演化过程,分析应变、温度、初始裂口形状等因素对裂纹扩展和分叉的影响.结果表明:对于简单的单向拉伸,应变需要达到一定的临界值,裂纹扩展才会启动.对于二组相互垂直的双轴拉伸作用,当应变达到临界值后,裂纹扩展过程中会发生分叉现象.温度越高,裂纹扩展越快且分叉越多.裂纹在扩展过程中,体系能量不断降低,当裂纹出现分叉时,体系能量降低得更快.在裂纹扩展过程中,有时是会在裂尖处前方出现微小的空洞,类似在裂纹尖端前方出现位错发射情况,这些微小的空洞逐渐扩大连成裂纹.本文所得结果与相关模拟结果和实验结果符合.