晶体相场方法模拟位错的运动与相互作用

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1、3．6参数对不称倾斜晶界变形过程的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．6．1晶界倾斜角的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．6．2应力方向的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．7结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37第四章晶体相场三揪位捌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．384．1晶体相场三维多晶生长⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．2应力诱发三维对称倾斜晶界位错运动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．3参数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．3．1应力方向的影响⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．3．2取向差的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．474．3-3温度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．484．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．48第五章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．50参考蝴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55攻读学位期间发表论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56IV晶体相场方法模拟位错的运动与相互作用第一章绪论11

3、晶体位错研究进展晶体缺陷是指晶体结构中周期性的排列规律被打破的情况【lI。在实际中．完全没有缺陷的晶体是不存在的。晶体中总存在着一些微小的区域，这些区域附近原子排列的周期性受到破坏。按照位错区相对于晶体的大小，可以将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体积缺陷，或者近似地分别看成零维、一维、二维和三维缺陷。这些缺陷经常是共存的，它们互相联系、互相制约，在一定条件下还可以相互转换121，对晶体性质的影响非常大。厂—■]—甄『j}+i—J一。飞，。＼一卜‘一、j1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．』图1．1高分辨率电镜下

4、的位错FigI-1TEMimagesofdislocations一维缺陷又称为位错，缺陷区是细长的管状区域。20世纪20年代末，人们在研究中发现金属塑性变形屈服强度实验值和完整晶格计算所得理论值相差甚远。为此，1934年，G1Taylor等II提出位错的概念。位错是一种与晶体内部畸变有差的线性排列，在切应力作用下容易滑移引起塑性变形。位错和材料的塑性变形密切相关，控制位错运动，就可以达到材料强化的目的。材料的力学性能强化一直以来都是材料领域研究的核心方向，许多学者对多晶材料的变形过程和位错的关系进行丈量研究，通过在材料中引入各种缺陷以阻碍位错

5、运动，提高材料强度。这些研究成果显著，创造大量社会效益和经济效益，推动科学发展和社会进步。但是，这些成熟理论和实验成果的研究对象一般为粗晶和超细晶材料。当晶粒尺寸细化至纳米材料级别(100nm)，人们发现现有理论不足以描绘纳米多晶材料。早期．人们认为纳米晶粒过小，纳米材料位错应主要集中于晶界处，纳米晶粒内部没有位硕士学位论文晶体相场方法模拟位错的运动与相互作用错或仅有少量位错。后来，分子动力学模拟和大量实验观察表明，纳米多晶金属中有位错【4】。位错是纳米材料塑性变形的主导因素【锕。C．E．Carlton等【7】还从理论上分析了纳米晶粒产生塑性

6、变形所需的位错数目要远小于粗晶材料所需的位错数。因此，在多晶材料研究领域，仍有许多问题有待进一步探索。在多晶材料中，晶界阻碍位错运动，位错滑移至晶界处会形成应力集中区域。在外应力作用下，不断有位错滑移至晶界处，晶界处应力增大。当应力增大到一定程度后，会使临近晶粒内部产生新的位错。同时，晶界处应力释放[引。在这个过程中，位错在晶粒内部产生，在外应力作用下滑移至晶界处，晶界起位错接收器的作用。当晶粒尺寸细化至一定程度后，多晶材料的晶界既可以作为位错的发射器，又可以作为位错的接收器。在纳米多晶材料中，位错集中于晶界处，当晶粒尺寸达到临界尺寸时，位错

7、被激活，开始被发射至晶粒内部n在晶粒内部运动，最终被另一侧晶界吸收[珏j3】。还有一种情况，伯氏矢量相反的位错会在晶粒内相遇湮没，形成完整晶格。位错和晶界关系、位错的运动和相互作用是复杂的。它们一般是由外应力引发，从宏观上看就是和材料的变形密切相关。郑勇刚(ZhengY)等【H】将多晶材料塑性变形过程分为三个阶段：弹性阶段，位错不会产生；塑性变形早期，位错开始形成和运动，伴随晶粒转动；塑性变形后期，位错相互作用。H．VanSwygenhove等【”1通过对12nm和20nm晶粒样品施加外力模拟多晶晶粒变形过程，在晶界处形成不全位错，并指出晶界

8、处晶格的错配程度和不全位错形成密切相关，不全位错的形成和传播是两个独立的过程。N．Q．Vo等【5】对5-20ran范围内的多晶同进行单轴塑性变形计算机模拟，定量分析