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.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo

2、．62，No．21(2013)218101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冰龙建王诏玉赵宇龙龙清华杨涛陈铮卡(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072)(2013年6月8日收到：2013年7月29臼收到修改稿)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

3、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PACS：8

4、1．07．-b，81．05．Bc，81．40．LmDoI：10．7498／aps．62．218101是，其最大的局限在于序参量取值的空间均一化，1引言这使得其无法对源于晶体结构的周期对称性的性质进行描述，同时模型采用的中尺度序参量也有一晶界结构因对实际多晶材料的性质有重要的些本质缺陷[13—151．为此，Elder等17】在此基础影响而被广泛研究，按类可分为对称倾侧晶界和非上提出了晶体相场模型，自洽地耦合了弹性能、晶对称倾侧晶界，非对称倾侧晶界比对称倾侧晶界多体对称性和各向异性，从而能模拟源于晶体周期性一

5、个自由度——倾侧角_1J_一直以来，关于对称倾所决定的所有性质；晶体相场模型序参量只在时侧晶界的模拟研究取得了较大进展，并与高分辨透间上均一化使得其能在空间原子尺度和扩散时间射电子显微镜得到的实验结果符合甚好[2-4】．虽然尺度上对材料的性质进行描述，克服了分子动力学实际材料中多以非对称倾侧晶界为主【5J'但目前对方法的时间尺度限制和传统相场法固有的缺陷，这非对称倾侧晶界的模拟研究还较少，主要以分子动为晶界结构的研究提供了强有力的理论基础．为力学方法为主[6-8]．但是由于分子动力学方法本身此，任秀【l8

6、】和杨涛【19]等利用该模型分别研究了时间尺度的限制，使其应变速率的数量级远高于工拉伸方向与晶界垂直条件下对称晶界的迁移过程，业上广泛应用的10_。一10—3S_1数量级，因此其模Elder等[17J则对拉伸条件下晶界转动进行了研究。拟结果不能反映材料在低应变速率下实际过程中但利用该模型研究非对称倾侧晶界，目前尚未见相的变形情况_9J_关报道．相场法作为目前研究结构转变的主要模拟方本文采用晶体相场模型对分别含对称倾侧晶法之一，已成功应用于枝晶生长、柱状晶体生长及界和非对称倾侧晶界的双晶结构及其变形过程进微

7、观偏析和外力下沉淀相的分解等领域[1O-12】．但行模拟研究，并分析了倾侧角和倾斜度角对晶界结国家自然科学基金(批准号：51274167，51174168)和西北工业大学基础研究基金(批准号：NPU—FFR．JC20120222)资助的课题．’t通讯作者．E—mail：chenzh@nwpu．edu．crl⑥2013中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．咖hy．ac．c礼、。218101．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．21(2013)

8、218101构及其演化规律的影响．拉伸变形采用等体积方法，变形整理后拉伸方向与晶界取向平行．眠，f+=二，㈣(5)2模拟方法式中，P，f=／dxe_i(，为序参量P的傅里叶2．1晶体相场模型换形式，p=．／dxep()，k为Fourier空间的波矢，满足k2=fk[2．Elder等提出的晶体相场模型引入周期性的局根据单模近似下的二维相图，本文采用三部时间平均原子密度p作为序参量，在等体积条件角相表征晶体相．模拟中采用周期性边界条下该序参量是一保守场．在液相中，原子位置随机，件，模拟区域大小为512Ax×5

9、12Ay，取空间步长是时间的函数，P为常数；在固相中原子位置与时Ax=ay=7t／4，时间步长At：0．5，温度，．=-0．25，间无关，是一周期与晶格周期相同的函数，原子密平均密度Po=0．285。如图1中白点所示．变形过程度P在原子所处位置取得峰值．由此可得该模型中中方向空间步长随应变速率在每一时间步长下液／固体系纯物质的无量纲最小化自由能为均有一增量d=eAxAt，Y方向的空间步长／dV2)p+p4I7(1)A．△．△v