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晶体相场方法模拟位错的运动与相互作用

作　者: 陈皓天
导　师: 高英俊
学　校: 广西大学
专　业: 材料学
关键词: 双模晶体相场位错运动位错反应
分类号: TB303
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

晶体相场方法是近年来基于密度泛函理论提出的一种模拟材料微结构演化的新方法,其模拟物理现象对应原子空间尺度和扩散时间尺度,既突破了标准相场方法无法观察原子排列的局限,时间尺度又比分子动力学方法宽几个数量级,在研究晶体缺陷动力学特征领域具有十分明显的优势。晶体中的一维缺陷又称为位错,对材料的力学性能影响非常大,因此研究变形过程中位错的运动特性具有重要意义。本文针对变形作用下材料中的位错运动,率先采用双模晶体相场方法设计并模拟二维正方晶格对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界在应变作用下位错的运动与相互作用,并在此基础上,首次模拟三维面心立方晶格{100}面线缺陷运动。主要的研究内容和取得的成果如下：1.设计晶界两侧为正方晶格的对称倾斜晶界,晶界由平行的刃型位错组成。通过对比不同条件模拟结果发现：位错的密度主要受取向差影响,其间距和已有理论相符；垂直于刃型位错额外半原子面的拉应力引发负攀移,反之压应力引发正攀移；温度的提高促进攀移运动。2.在外应力作用下,晶界上的位错会发生位错反应,分解为三个刃型位错,并使晶界原子层数减少一层。其中一个刃型位错方向不变,继续沿晶界方向攀移。另外两个方向彼此相反,攀移进入晶粒内部。位错在晶粒内部相遇湮没形成完整晶格。3.设计晶界两侧为正方晶格的不对称倾斜晶界,晶界由相互垂直的刃型位错和位错对组成。均匀变形过程中位错反应有四种类型：位错相遇湮没、位错对和位错反应生成新位错、位错对分解、位错分解。4.模拟三维面心立方晶格{100}面线缺陷的运动,结果和二维模拟有很大不同：应力方向不会改变缺陷的运动方向,垂直于晶界的拉应力相对更容易诱发缺陷运动。以上研究成果,对实验观察晶体位错运动与相互作用具有一定指导意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-14
  1.1 晶体位错研究进展  8-9
  1.2 计算机微观结构模拟  9-12
    1.2.1 计算机辅助材料设计  9-10
    1.2.2 计算机微结构模拟的意义  10
    1.2.3 计算机模拟材料微结构的方法  10-12
  1.3 晶体相场方法研究进展  12-13
  1.4 问题的提出  13-14
第二章晶体相场模型和理论方法  14-22
  2.1 单模晶体相场模型  14-17
    2.1.1 自由能函数的无量纲化  14
    2.1.2 原子密度函数  14-17
  2.2 模晶体相场模型  17-20
    2.2.1 自由能函数的无量纲化  17
    2.2.2 模晶体相场方法模拟二维正方晶格  17-19
    2.2.3 模晶体相场方法模拟三维面心立方晶格  19-20
  2.3 数值计算方法  20-22
第三章二维正方点阵中位错的运动与相互作用  22-45
  3.1 晶界位错的形成  22-23
  3.2 等体积变形模型  23-24
  3.3 对称倾斜晶界变形演化过程  24-29
  3.4 参数对对称倾斜晶界均匀变形过程的影响  29-37
    3.4.1 温度的影响  29-31
    3.4.2 取向差的影响  31-35
    3.4.3 应力方向的影响  35-37
  3.5 不对称倾斜晶界变形过程中的位错运动  37-42
  3.6 参数对不称倾斜晶界变形过程的影响  42-44
    3.6.1 晶界倾斜角的影响  42-43
    3.6.2 应力方向的影响  43-44
  3.7 结论  44-45
第四章晶体相场三维模拟位错运动  45-57
  4.1 晶体相场三维多晶生长  45-50
  4.2 应力诱发三维对称倾斜晶界位错运动  50-53
  4.3 参数的影响  53-55
    4.3.1 应力方向的影响  53-54
    4.3.2 取向差的影响  54-55
    4.3.3 温度的影响  55
  4.4 小结  55-57
第五章结论  57-58
参考文献  58-62
致谢  62-63
攻读学位期间发表论文情况  63

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