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.     

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.     

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.     

噪声对均质形核过程影响的晶体相场法研究

采用晶体相场模型,模拟了有色噪声诱发的均质形核过程. 结果表明,噪声强度在一定范围内对系统平衡热力学参量、形核势垒、临界晶核尺寸影响甚微; 而对形核孕育时间影响较大,形核孕育时间随噪声强度的增大呈指数减小趋势. 进一步分析表明,噪声对形核孕育时间的影响主要是由于噪声的引入改变了原子动力学系数.     

晶体相场法模拟微裂纹的扩展行为

用晶体相场模型模拟预变形条件下的单轴拉伸的裂纹扩展行为.展示出裂纹扩展过程的演化图。从裂纹演化图可以清楚的观察到,随着应变量的增加,裂纹长度增加,裂纹呈钝化-扩展-钝化的扩展模式,裂纹形状为锯齿形:随着预变形量的增加,解理方式的裂纹扩展减弱,转变成锯齿形状的裂纹扩展方式。     

双模晶体相场研究形变诱导的多级微结构演化

本文采用双模晶体相场模型,计算了双模二维相图;模拟了形变诱导六角相向正方相转变过程的多级微结构演化,详细分析了位相差、形变方向对位错、晶界、晶体结构、新相形貌的影响规律.模拟结果表明:形变方向影响正方相晶核的形核位置和生长方向,拉伸时正方相优先在变形带上形核,垂直于形变方向长大,而压缩时正方相直接在位错和晶界的能量较高处形核,平行于形变方向长大;位相差对形变诱发晶界甄没过程有显著影响,体现在能量峰上为,小位相差晶界位错的攀滑移和甄没形成一个能量峰,大位相差晶界位错攀滑移和甄没因分阶段完成而不出现明显的能量峰;形变诱导相变过程中各种因素相互作用复杂,是相变与动态再结晶的复合转变.     

温度对大角度晶界变形过程影响的晶体相场法研究

应用晶体相场法研究大角度晶界在外加应力作用下温度对位错运动的影响。研究表明,大角度晶界在应力作用下会发生形状变化;当变形达到临界应变时,晶界褶皱处产生位错并发射进入晶粒内部;温度较低时,晶界处位错形核所需的临界应变更大。在应力作用下大角度晶界通过改变曲率和位错运动产生迁移,温度较高时有利于晶界迁移。     

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°)。     

晶体相场方法研究二维六角相向正方相结构转变

应用双模PFC模型,计算二维PFC相图,模拟二维六角晶格向正方晶格的结构转变过程, 观察新相(二维正方相)的形核、长大特点,以及相结构转变的动力学特征. 结果表明:六角结构相向正方结构相的转变,正方相最易在六角相晶界处, 尤其是在三晶粒的交汇处首先生成正方相的晶核,之后是正方相逐渐通过吞噬六角相的边缘, 向六角相内部推进,并不断长大.对于结构转变生成的正方相晶粒,其晶粒取向几乎是随机的, 与原先六角相晶粒取向角没有明显的关系.正方相转变的面积分数随时间变化的动力学曲线 呈现典型的"S"形.由Avrami曲线可将相变曲线看成由两阶段组成. 计算模拟得到的Avrami曲线的第二阶段直线斜率K的范围在2.0和3.0之间, 与JMAK理论的指数n相符合. 关键词： 结构转变 晶体相场 相图 晶粒取向     

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.     

晶体相场法研究预变形对熔点附近六角相/正方相相变的影响

应用双模晶体相场模型计算二维相图,并模拟了在熔点附近预变形和保温温度对六角相晶界演化以及六角相/正方相相变的影响.研究发现:在相变初期,当预变形为零、保温温度离熔点很近时在晶界发生缺陷诱发预熔;增大预变形,变形与缺陷的交互作用在熔点附近诱发预熔;随着预变形的进一步增大,变形在畸变处同时诱发液相和正方相,且预变形越大、保温温度越接近熔点,液相生长越明显,反之正方相生长明显.持续保温使得畸变能释放,晶粒最终完全转变为平衡正方相.模拟结果表明:预变形六角相在熔点附近保温时,由于晶界固有缺陷和预变形双重作用使得原子无序度增加,从而在晶界或其他缺陷处产生液相,待能量释放后晶粒再转变成平衡正方相,进而延缓了六角相/正方相相变时间.     

Deformation study of bicrystalline and nano-polycrystalline structures using phase field crystal method

Deformation behaviors of bicrystalline and nano-polycrystalline structures of various tilt angles and inclination angles in two dimensions are investigated in detail using a two-mode phase field crystal model.The interaction between grain boundary(GB)and dislocation is also examined in bicrystals and nano-polycrystals that both contain asymmetric and symmetric tilt GBs,with energy analysis being carried out to analyze these processes.During deformation simulations,we assume the volume of each simulation cell at every time step is coincident with that of the initial state just before deformation.Our simulation results show that the behaviors of symmetric and asymmetric GBs in bicrystals and nano-polycrystals differ from each other depending on tilt angle and inclination angle.A new dislocation emission mechanism of interest is observed in bicrystals which contain low angle symmetric tilt GBs.Low angle GB has a higher mobility relative to high angle GB in both bicrystalline and nano-polycrystalline structures,as does asymmetric GB to symmetric GB.The generation,motion,pileup and annihilation of dislocations,grain rotation and grain coalescence are observed,which is consistent with the simulation results obtained by molecular dynamics.These simulation results can provide strong guidelines for experimentation.     

直接相关函数对双模晶体相场模型相图的影响

研究了直接相关函数峰宽及 k=0处峰对双模晶体相场模型相图的影响. 结果表明, 随着峰宽的增加, 有序相的相区范围不断增大. 而增大峰宽比可使体心立方(bcc)相区范围缩小, 面心立方(fcc)相区范围大幅增加.直接相关函数 k=0峰的引入则使相图被压缩, 两相共存区变窄, 液相稳定区域增加. 关键词： 晶体相场模型 双模近似 相图 直接相关函数     

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     

夫琅禾费衍射场的相位弯曲及其对光传输和成像过程的影响

在普通物理的框架内对不同情况下夫琅禾费衍射光场的相位弯曲因子的形成进行了推导,并对其物理意义给出直观的说明;指出并讨论了该因子对光波传输过程的重要影响;从而纠正了光学教材中的一个常见误式,它将对成像过程导致悖论。     

Strain mapping in nanocrystalline grains simulated by phase field crystal model

In recent years, the phase field crystal (PFC) model has been confirmed as a good candidate to describe grain boundary (GB) structures and their nearby atomic arrangement. To further understand the mechanical behaviours of nanocrystalline materials, strain fields near GBs need to be quantitatively characterized. Using the strain mapping technique of geometric phase approach (GPA), we have conducted strain mapping across the GBs in nanocrystalline grains simulated by the PFC model. The results demonstrate that the application of GPA in strain mapping of low and high angles GBs as well as polycrystalline grains simulated by the PFC model is very successful. The results also show that the strain field around the dislocation in a very low angle GB is quantitatively consistent with the anisotropic elastic theory of dislocations. Moreover, the difference between low angle GBs and high angle GBs is revealed by the strain analysis in terms of the strain contour shape and the structural GB width.     

多晶凝固及后续调幅分解过程的晶体相场法模拟

采用晶体相场模型,模拟了二元合金多晶凝固及后续调幅分解全过程.结果表明,晶体相场模型可完整再现包括形核、生长、粗化、晶界形成等多晶生长过程以及圆满完成从凝固到调幅分解的多相变过程. 关键词： 晶体相场模型 多晶凝固 调幅分解 组织演化     

Properties of the ground state in a spin-2 transverse Ising model with the presence of a crystal field

The properties of the ground state in the spin-2 transverse Ising model with the presence of a crystal field are studied by using the effective-field theory with correlations. The longitudinal and transverse magnetizations, the phase diagram and the internal energy in the ground state are given numerically for a honeycomb lattice (z=3).     

孤立的Eu2+在立方晶场中基态能级的分裂

用量子力学微扰论方法计算了Eu^2 在立方晶场中基态能级分裂的一级修正，并给出了相应能级的零级近似波矢。