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.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Voi．62，No。11(2013)118102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木赵宇龙干陈铮龙建杨涛(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072)(2013年1月11日收到；2013年1月27日收到修改稿)采用晶体相场模型模拟获得了平均晶粒尺寸从l1．6l一31．32nln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

2、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PACS：81．07．-b，81．05．Bc，81．40．LmDOI：10．7498laps．62．118102可能对变形起着积极的推动作用．目前，对于纳米1引言晶材料的微观变形机理提出了几种机理，如空隙相的存在，大量的三叉晶界，位错运动的减

3、少，晶界迁纳米晶材料由于具有与传统粗晶材料(平均移及晶粒转动等，但还没有取得统一的结论[5-7】．晶粒尺寸d>1lnlT1)不同的力学性质而备受人们借助模拟手段，可以在纳米尺度下对纳米晶材关注．当晶粒尺寸细化至纳米尺度(1一l00rim)料的微观变形过程进行直观的分析和研究[8-1o]．时，材料的强度、硬度和延展性都会发生很大2002年，Elder等[11,12】提出了基于密度泛函理论的的变化[1-3]．霍尔。佩奇(Hall—Petch，H—P)关系晶体相场模型(phasefieldcrystal，PFC)，该模型作为(：(70+Kd

4、_l／)是描述金属多晶材料强度与分子动力学和连续相场法的桥梁，可以在原子空间晶粒尺寸之间关系的经典表达式．H—P关系指出，尺度和扩散时间尺度上描述系统，揭示原子效应．金属材料的强度与d_l／之间为线性关系，且直线本文利用晶体相场模型模拟得到了不同晶粒斜率>0．然而，近几年来大量的实验表明，H．P尺寸的纳米晶组织，并对其进行了单向拉伸变形模关系所描述的强度与晶粒尺寸之间的关系并不能拟，讨论了变形过程中的力学性质，探索纳米晶材延续到纳米晶材料，所研究的材料包括Cu，Pd，Fe，料的微观变形机理．Ni，Ag，TiO2等．更有趣的是，随晶粒尺

5、寸减小纳米晶体强度下降的现象均有报道【4J，表现为H—P关系2模拟方法中K<0．传统粗晶材料的微观变形主要依靠晶粒内部的位错运动来实现．而纳米晶材料的晶粒非常2．1晶体相场模型细小，晶粒内部存在的位错极少，位错运动十分困难．此外纳米晶材料晶界的体积分数急剧增加，它晶体相场模型采用局部时间平均原子密度$国家自然科学基金(批准号：51075335，51174168，10902086，51274167)和西北工业大学基础研究基金(批准号：NPU·FFR—JC20120222)资助的课题．十通讯作者．E．mail：785881882@qq．c

6、om④2013中国物理学会ChinesePhysicalSocietytv：／／wuli．~b．细hy．ac．c佗l18102—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．11(2013)118102P(r)作为序参量，自洽的耦合了由晶体点阵周期性r=-0．25，P0=0．285．空间步长设为=Ay=rt／4，引起的多重晶粒取向和弹塑性变形等许多现象．对时间步长设为=0．5．凝固按如下方法进行：在过于金属材料中的固相(晶体相)，其原子位置呈周期冷液相中放置尺寸为20z~cX20Ax的初始晶核，并性排列且与时间无关．为描述这

7、一现象，原子密度经历一段时间的弛豫直至系统达到平衡．初始晶核p(r)具有波长为a的周期，它与晶体点阵周期性相的取向随机分布．模拟采用周期性边界条件．一致．对于液相，其原子位置随时间随机变化，所以如表1所示，为获得不同尺寸的纳米晶，模拟表征液相的原子密度是平均值，用常数p0表示．由采用了不同大小的计算区域：1032Ax×1032用上述定义的序参量构造的无量纲自由能函数表达于获得晶粒尺寸较小的纳米晶，1560Ax×1560Ax形式为和2088Ax×2088Ax用于获得晶粒尺寸较大的纳米晶．3种区域分别含原子数大约为1．7X104，F=／I

8、{r+(鸟5+))p+等p4Iddyj(1)3．8×104和6．8×104．若以Cu单晶作为参照式中J；L，口。和是与特定材料相关的参数．，．为无(晶格常数a≈0．36nm)，相应的区域面积分别量纲过冷度．a与qo的关系