晶体相场方法模拟纳米晶生长过程

双模的PFC模型能够很好地模拟纳米晶的晶粒长大,可以在二维平面显示出不同晶面类型的晶粒长大过程、不同错配度和晶粒取向的晶界结构,还可以模拟出准共格晶界,观察到晶界处由于错配度不同引起的位错结构。这些模拟得到的结果,对实现人工控制纳米晶晶界结构,指导实验设计具有新型纳米晶界的结构材料具有重要意义。     

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     

超微粒子的多重孪晶结构

超微粒子（粒子半径几十一几千Ａ）具有和通常物质不同的许多重要性质．从晶体学角度看，最有趣的例子之一是具有五次对称性的多重孪晶粒子，而这在通常晶体学中是没有的．本文介绍多重孪昌粒子的结构及有关实验事实．     

纳米孪晶纯铜的强度和导电性

强度和导电性是金属材料的两个至关重要的性能.常用的金属材料强化方式往往是在提高强度的同时使材料的导电性能明显损失.文章介绍了采用脉冲电解沉积技术制备出具有高密度孪晶片层结构的纯铜薄膜.这种具有纳米尺度的孪晶片层结构的纯铜材料不仅具有非常高的拉伸强度,同时还具有非常高的导电性. 拉伸实验表明,当孪晶片层平均厚度小到15 nm时,样品的拉伸屈服强度可达900 MPa,断裂强度高达1068 MPa（约为普通纯铜的10倍以上）,并具有与无氧高导铜相当（97%IACS）的室温电导率.     

应变诱发四方相小角度对称倾侧晶界位错反应的晶体相场模拟

采用晶体相场法研究了外加应变作用下,不同取向差的四方相对称倾侧小角度晶界的位错运动与反应及反应过程中的位错组态,通过采用几何相位法对位错周围应变场进行了表征.结果表明,凝固弛豫达到稳态后,晶界两侧位错平行且方向相反,随晶界两侧晶粒取向差增大,位错数目增加,距离减小,且体系自由能增加.在外加应变作用下,晶界位错经历攀移、发射、反应湮灭等阶段,体系自由能呈现波动.当取向差增大时,位错运动方式由攀移向攀滑移转变,产生更多类型的位错组构型,并发生相应的位错与位错组之间的反应.对于不同构型的位错反应,正切应变驱动位错靠近,负切应变驱动位错湮灭.     

不同对称性下晶界结构演化及微观机理的晶体相场法研究

采用晶体相场法研究了单轴拉伸下三角相双晶变形过程及机理, 并重点分析了小角对称与非对称晶界和大角对称与非对称晶界在变形过程中的演化及微观机理, 变形过程中应力方向与初始晶界方向平行. 结果表明, 小角对称晶界由柏氏矢量夹角呈60°的两种刃型位错组成, 变形过程中不同类型的位错运动方向相反, 并各自与另一晶界上同一类型位错相互吸引以致部分位错发生湮没; 小角非对称晶界上的位错类型单一, 在应力作用下先沿水平方向攀移, 后各自分解成柏氏矢量约呈120°的两位错, 并通过位错运动和湮没最终形成理想单晶; 大角晶界在应力的作用下先保持水平状态而后锯齿化并发射位错, 伴随着位错运动和湮没, 最终大角非对称晶界发生分解, 而大角对称晶界则重新平直化, 表明大角对称晶界比大角非对称晶界更稳定, 这与实验和分子动力学模拟结果一致. 关键词： 晶体相场 双晶 晶界 对称性     

晶体相场法模拟异质外延过程中界面形态演化与晶向倾侧

采用晶体相场模型研究了异质外延过程中失配应变与应力弛豫对外延层界面形态演化的影响, 并对由衬底倾角引起的外延层晶向倾侧进行了分析.研究结果表明: 在有一定倾角的衬底晶体上进行外延生长时,若衬底和外延层之间失配度较大 (ε>0.08),外延层中弹性畸变能会以失配位错的形式释放, 最终薄膜以稳定的流动台阶形式生长且外延层的晶向倾角与衬底倾角呈近似线性关系. 而当衬底和外延层之间失配度较小(ε<0.04)不足以形成失配位错时, 外延层中弹性畸变能会以表面能的形式释放,最终使薄膜以岛状形态生长. 在高过冷度条件下,衬底倾角和失配度较大时,衬底和外延层之间会形成由大量位错规则排列而成的小角度晶界从而显著改变外延层的生长位向.     

BCC枝晶生长原子堆垛过程的晶体相场研究

通过在自由能泛函中引入各向异性参数得到了一个基于高斯内核的改进晶体相场模型, 并采用该模型研究了体心立方结构(BCC)枝晶生长的原子堆垛过程. 结果表明, 在BCC由正十二面体平衡形貌演化为枝晶组织过程中, 形核位置经历了由面心({110}面)到尖端(<100>取向)的转移, 进而发生界面失稳形成枝晶组织; 枝晶生长过程中, 新的固相原子首先在枝晶尖端附近形核, 并快速向尖端及根部生长, 枝晶尖端被新原子完全包覆后将再次诱发液相原子附着形核及生长; 随初始液相密度的增加, 固-液界面移动速率增加, 速率系数的各向异性也增强.     

镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究

利用定量相场模型, 以Mg-0.5 wt.%Al合金为例模拟了基面((0001)面)内镁基合金的等温自由枝晶生长过程. 通过研究该合金体系数值模拟的收敛性, 获得了最优化值耦合参数λ = 5.5及网格宽度Δx/W₀ = 0.4, 并在该参数下系统研究了各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ^* 的影响. 结果表明, 由微观可解性理论得到的稳定性系数σ^* 与ε₆ 拟合值σ^*≅ ε₆ ^1.81905, 更接近理想值σ ^* (ε₆) ≅ε₆ ^1.75. 此外, 当过饱和度Ω < 0.6时, 稳定性系数σ ^* 不随ε₆ 的变化而变化, 而当Ω > 0.6时, 稳定性系数σ ^* 随着ε₆ 的增加而减小. 这反映了枝晶的生长由扩散控制向动力学控制的转变. 随着过饱和度的增加, 枝晶形貌由雪花状枝晶向圆状枝晶转变.     

取向角对小角度非对称倾斜晶界位错运动影响的晶体相场模拟

采用晶体相场法模拟纳米尺度下小角度非对称倾斜晶界结构和位错运动,从外应力作用下晶界位错运动位置变化和晶体体系自由能变化角度,分析取向角对小角度非对称倾斜晶界结构和晶界位错运动的影响规律.研究表明,不同取向角下组成小角度非对称倾斜晶界的位错对类型相同.随取向角增大晶界位错对增加,且晶界更易形成n1n2型和n4n5型位错对.外应力作用下,不同取向角晶界位错对初始运动状态均沿晶界进行攀移运动,随体系能量积累,取向角越大出现晶界位错对分解的个数越多,且均为n1n2型和n4n5型位错对发生分解反应.不同取向角下小角度非对称倾斜晶界体系自由能曲线都存在四个阶段,分别对应位错对攀移、位错对滑移及分解、位错对反应抵消形成单晶和体系吸收能量自由能上升过程.进一步对比发现随取向角增大,晶界湮没形成的单晶体系所需时间增加.     

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.     

Phase Transition for a Mixed Spin-1/2 and Spin-sB System with a Transverse Crystal Field

The critical behaviors of a mixed spin-1/2 and spin-s_B Ising system with a transverse crystal field are studied by use of the effective-field theory with correlations. The effect of the transverse crystal field on transition temperatures is investigated numerically for the honeycomb (z=3) and square (z=4) lattices. The results show that there is no tricritical point for the system.     

纯物质晶界结构及运动的晶体相场法模拟

采用晶体相场模型,分别模拟了纯物质小角度晶界和大角度晶界结构及变形过程中的晶粒转动及晶界迁移.结果表明,小角度晶界迁移的主要机理是构成晶界的位错的滑移和攀移,而大角度晶界的迁移主要依靠晶界两侧原子的跳动及晶界位错等缺陷的运动. 关键词： The phase field crystal model was used to simulate the structure of the small angle and the large angle grain boundary (GB) the grain rotation and the GB migration during deformation. Simulated results show that the dislocation glide and climb are the ma     

基于相场方法的孔隙尺度油水两相流体流动模拟

基于真实岩心颗粒粒径分布,利用过程法构建疏松砂岩油藏的三维孔隙结构模型,利用相场方法建立两相流体流动数学模型并利用有限元方法进行求解,研究驱替速度、流体性质、润湿性对剩余油分布以及采出程度的影响.结果表明：驱替速度的增大和油水粘度比的减小会导致较大的毛管数,进而有利于采出程度的提高;就润湿性而言,水湿条件下毛管力是水驱油的动力,而在油湿条件下是阻力,因此水湿岩心采出程度更高.同时,从孔隙尺度对油水渗流机理及剩余油分布机理进行揭示,结果表明：由于多孔介质的复杂孔隙结构,流体在流经不同孔隙时呈现不同的流动特征,进而对油水两相流整体的压力分布、流速分布造成重要影响.     

非对称倾侧亚晶界的晶体相场法研究

采用晶体相场法研究非对称倾侧亚晶界结构及其在应力作用下的微观运动机制.分别从温度、倾斜度角以及应力施加方向等方面对其结构及迁移过程进行分析和讨论.结果表明,非对称倾侧亚晶界由符号相同的一排刃型位错等距排列,部分出现由两个相互垂直排列的刃型位错构成的位错组;在应力作用下,非对称倾侧亚晶界迁移的微观机制包括位错的滑移和攀移、位错组分解、单个位错与位错组反应、单个位错分解以及位错湮灭;温度降低和倾斜度增大都会阻碍亚晶界的迁移过程;应力方向改变导致位错运动方向改变,从而改变晶界迁移形式.     

A Second-Order Crank–Nicolson Leap-Frog Scheme for the Modified Phase Field Crystal Model with Long-Range Interaction

In this paper, we construct a fully discrete and decoupled Crank–Nicolson Leap-Frog (CNLF) scheme for solving the modified phase field crystal model (MPFC) with long-range interaction. The idea of CNLF is to treat stiff terms implicity with Crank–Nicolson and to treat non-stiff terms explicitly with Leap-Frog. In addition, the scalar auxiliary variable (SAV) method is used to allow explicit treatment of the nonlinear potential, then, these technique combines with CNLF can lead to the highly efficient, fully decoupled and linear numerical scheme with constant coefficients at each time step. Furthermore, the Fourier spectral method is used for the spatial discretization. Finally, we show that the CNLF scheme is fully discrete, second-order decoupled and unconditionally stable. Ample numerical experiments in 2D and 3D are provided to demonstrate the accuracy, efficiency, and stability of the proposed method.     

Interactions between grain boundary and compositional domain boundary during spinodal decomposition in nanocrystalline alloys

Due to the large grain boundary (GB) volume fraction in nanocrystalline materials, interactions between GB and compositional domain boundary (CDB) play an important role in determining the nanoscale-modulated domain structures during spinodal decomposition. In the present paper, the phase field crystal model is employed to investigate the interactions between GB and CDB. Simulation results show that CDB coarsening can drive the GB migration and bring the impingement of particles with different orientations; the large volume fraction of GB can increase the dislocation volume fraction in CDBs but does not change its proportion in the whole defects number; the crossover point of the coarsening dynamic comes from the block effect of GB with large volume fraction.     

A Novel Method of Selecting SLM──PhaseRetardationofaBirefringentCrystal

ＡＮｏｖｅｌＭｅｔｈｏｄｏｆＳｅｌｅｃｔｉｎｇＳＬＭ──ＰｈａｓｅＲｅｔａｒｄａｔｉｏｎｏｆａＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔＣｒｙｓｔａｌ￥ＳＨＥＮＸｉａｏｈｕａ；ＣＨＥＮＳｈａｏｈｅ；ＬＩＮＺｕｎｑｉ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａ...