相场方法研究硬质颗粒钉扎的两相晶粒长大过程

采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程,系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大过程的影响.模拟结果表明,第三相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,且极限晶粒尺寸越小.单个第三相颗粒尺寸越大,对晶界钉扎作用越强.但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时,颗粒数目会越多,此时总的钉扎效果会越好,晶粒极限尺寸也越小.若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒,且两种颗粒所占比例相同时,钉扎效果最好.相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合.

韧性材料的微裂纹扩展和连通的晶体相场模拟

采用晶体相场模型研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展和连通的演化过程,分析应变、初始裂口处原子密度等因素对裂纹扩展和分叉的影响。结果表明:初始裂口处原子密度对裂纹扩展有明显的影响;对于双轴拉伸作用,当应变较小时,裂纹扩展不分叉;当应变较大时,裂纹扩展才能出现分叉。在裂纹扩展过程中,体系能量不断降低;当裂纹出现分叉时,体系能量降低更快,这表明裂纹扩展过程中弹性应变能的释放比表面能的增加要快。裂纹在扩展过程中,在分叉处会出现与主裂纹断开的孤立的微小空洞。这些微小空洞将成为新的裂纹萌生之地,它们在应力的作用下不断长大,连成一线,形成新的裂纹分支。同一条直线上的两条初始裂纹在扩展过程中,当裂纹尖端靠近时,尖端相互吸引,裂纹相互连通。本研究所得结果与相关模拟结果和实验结果吻合。

Al-Li合金时效初期的价键分析

运用固体经验电子理论(EET),对Al-Li合金时效初期的若干偏聚晶胞的价电子结构进行了计算。计算结果表明:不包含空位的偏聚晶胞的键络最强键为Al—Al键,其中Al原子的共价半径较Li原子的共价半径要大;而含空位的偏聚晶胞的最强键为Al—Li键,Al原子的共价半径要比Li原子的共价半径要小;在空位存在的情况下,由于Al原子与Li原子的电负性相差明显,促使Al和Li原子结合,倾向形成Al-Li短程序结构偏聚区,这种含空位的短程序结构很可能就是δ′(Al3Li)亚稳相的前兆结构和生长胚胎;由于Al-Li-空位有序偏聚晶胞的Al—Li键络比基体键络要强许多,因此,淬火过程中合金生成的Al-Li-空位偏聚晶胞对合金过饱和固溶体起主要强化作用;后续析出的δ′(Al3Li)亚稳相键络各项异性显著,键络强度明显提高;由于Al3Li与基体共格,其大量均匀弥散析出起到提升基体整体键络强度,同样对合金产生强化作用。

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.

晶体相场方法模拟纳米孪晶结构

应用双模晶体相场模型,模拟共格纳米孪晶结构.结果表明:球状晶粒生长成的共格孪晶片层,在共格面上的原子排列有变形,容易出现位错;条状晶粒凝固生长成的共格孪晶界,比用球状晶粒长大生成的共格孪晶界的原子排列整齐.应用晶体相场模型,可以精确计算纳米孪晶带的厚度,设计和控制带内的原子层数,实现人工操纵纳米共格孪晶片层结构,指导实验研究纳米孪晶结构及其与性能的关系.

打造精品实验课程 全面推进实验教学示范中心建设

介绍高校工科物理实验教学在实验课程体系的层次化、实验教学内容的模块化,实验项目的精选与特色;教学手段的计算机多媒体化,以及实验教学管理的网络化等方面进行的改革与探索,创建适应新世纪的大学物理实验教学新体系,全面推进大学物理实验教学示范中心的建设。

Al-Cu合金亚稳相的价电子结构分析

应用固体电子理论 (EET) ,对Al Cu合金时效析出的若干亚稳相的价电子结构进行计算。结果表明 ,在时效初期 ,θ″相中Cu原子处于第七杂阶 ,比金属Cu的原子杂阶低 ,而最靠近Cu原子的Al原子则处于第五杂阶 ;由θ″相溶解形成相θ′时 ,Al原子处于第四杂阶 ,而Cu原子状态发生较大变化 ,从基体的第九杂阶上升到第十三杂阶 ,使得Cu原子的共价电子数有较大幅度的提高 ,因此形成的θ′亚稳相的最强共价键较θ″亚稳相的要强 1倍 。

Al-Cu合金中θ相的价电子结构分析

运用经验电子理论(EET)对Al-Cu合金薄膜析出相θ(Al2Cu)的价电子结构进行计算.结果表明θ相中的Cu-Cu键最强,其次为Al-Cu键,它们的强度都比金属Cu的最强Cu-Cu键要强.Al-Cu合金薄膜互连线的电迁移寿命与在基体晶粒中析出具有强的共价键络的θ相紧密相关.θ相的析出提高了合金强度,延长了合金电迁移寿命.

Al-Ag合金γ相周围无沉淀带形成的机理研究

运用固体经验电子理论(EET),对Al-Ag合金γ相的价电子结构以及γ相与基体的界面能进行了计算。结果表明,沉淀相与基体的界面处能量连续性较差,γ相的表面结合能高于基体的表面结合能,在界面处形成能量势阱。因此结合能大的γ相表面易吸附界面附近基体的Ag原子,引起γ相周围Ag原子的贫乏,出现γ相无沉淀带(PFZ)。

Al-Li-Zr合金的界面原子成键与力学性能

应用固体经验电子理论计算Al-Li-Zr合金中若干析出相与基体的界面原子成键强度和异相界面的界面能。结果表明,δ′相与基体之间的界面电子密度在较低的应力下保持连续,使得δ′相与基体界面的结合较好,起到界面增强的效果;δ相与基体间界面电子密度在一级近似下不连续,使得与基体间界面结合强度较弱,引起界面结合弱化。对于核壳结构的复合相δ′/β′,界面电子密度差较小,且界面能最低,使得δ′相容易在β′相上异质形核长大形成复合δ′/β′相。由此从界面原子成键角度揭示析出相对合金起强弱化作用的原因,及其对合金力学性能的影响。

异常晶粒长大的Monte Carlo模拟方法

采用Radhakrishnan等改进后的Monte Carlo方法,模拟了两种能量结构下的异常晶粒长大过程.研究结果发现,在相同参数下用改进算法模拟异常晶粒长大比Srolovitz和Grest等人的模拟所得到的效率高,而且结果比后者与实际符合得更好.在两种能量结构下,异常晶粒长大的趋势相同,随着J1/J2值的增大,晶粒长大指数有所增加,异常晶粒的体积百分比曲线都出现平台阶段.在相同参数下,第二种能量结构的异常晶粒长大的速率比较快.

计算机模拟技术在材料科学中的应用

针对计算机模拟技术在材料科学中所起的重要作用 ,综合介绍了它的研究范畴和技术类型 ,列举了计算机模拟技术在研究材料的合成和制备、组成和结构、性能测试和分析中的若干应用实例 。

Al-Zn固溶体价电子结构与Spinodal分解反应

运用固体经验电子理论,采用平均原子模型对Al Zn固溶体价电子结构进行计算。计算结果表明:Spin odal分解引起合金固溶体的共价键强度发生较大变化,且可以根据各固溶体相的共价键强度的变化对Al Zn固溶体在室温下发生的Spinodal分解反应所引起的合金硬化以及合金硬度的提高做出合理解释。

微量Sc和Zr对Al-Mg合金晶粒细化作用的电子结构分析

运用固体经验电子理论(EET),对掺微量Sc和Zr的Al-Mg合金的价电子结构进行计算。结果表明:Zr、Sc与Al原子存在强烈的相互作用,形成Al-Zr、Al-Sc、Al-Zr-Sc偏聚区。Al-Zr-Sc原子的强烈偏聚易形成Al3(ZrxSc1-x)复合相粒子,对基体晶粒起到强烈的晶粒细化作用。

有序Al-Li金属间化合物的电子结构与结合性能

用固体价键电子理论对ＦＣＣ基有序ＡｌＬｉ金属间化合物的电子结构进行了分析，结果表明Ａｌ原子在这些化合物中杂阶状态没有发生变化。对结合能和体弹模量进行计算结果表明，这些ＦＣＣ基金属间化合物的结合能随晶包内共价电子数增加呈线性递减，而体弹模量则线性增加。还对计算结果与实验值以及其它方法的计算结果进行了比较与讨论。

低温下含Zn，Ag或Sc的8090合金正电子寿命谱分析

在２５—２７５Ｋ范围内，测量了正电子在８０９０合金和含Ｚｎ，Ａｇ或Ｓｃ的８０９０合金的湮没寿命．结果表明，τ１＝１７５—１８７ｐｓ是典型的正电子在共格粒子δ＇（Ａｌ３Ｌｉ）上的湮没寿命；τ２对温度Ｔ有明显的依赖关系．只要同时考虑空位、晶界对τ２的影响，就可以很好地对这四种样品的τ２－Ｔ曲线作出解释，并可对空位的存在形式作出推断．

Al-Mg-Si合金中U1和U2相的原子成键与性能

应用EET理论和改进的TFD理论对Al-Mg-Si合金时效过程中析出的U1与U2相的原子成键和结合能进行计算。结果表明:两相晶胞中最强键和次强键都是Al—Si键,其键络比基体Al晶胞中的最强键络都强得多;两析出相晶胞中都以较强的Al—Si键构成主要键络骨架结构,起到增强基体键络强度、强化合金的作用。由于析出相U1比析出相U2具有更强的Al—Si键络结构,且结合能较大,因此,相对U2相来说,U1相更稳定。计算结果还表明:(001)Al//(110)U1相界面处电荷保持连续且连续性较好,界面应变能较低,界面较稳定;界面(001)Al//(010)U2处的面电荷密度偏离连续条件,因此在此界面处,应力较大,界面原子键匹配较差,界面储能(应变能)较高,容易成为新相形核、长大和裂纹萌生的地方。

掺微量Zr的Al-Mg合金的原子成键与力学性能

运用固体经验电子理论(EET),对掺微量Zr的Al-Mg合金的价电子结构进行计算。从价电子结构层次阐明加入微量Zr对Al-Mg合金原子成键产生的强烈作用,是合金硬度、强度和晶粒热稳定性提高的内在原因。结果表明,Zr与Al原子存在强的结合倾向,易在合金熔体中生成粗大的初生Al3Zr颗粒,起非匀质形核细化晶粒作用。在合金凝固过程中,易形成Al-Zr晶胞原子偏聚区,在基体析出细小弥散的次生Al3Zr颗粒,起到增强合金基体的共价键络的作用。

不同温度晶界位错湮没过程的晶体相场模拟

【目的】针对不同温度的晶界位错湮没过程进行研究。【方法】采用晶体相场模型模拟中等角度对称倾侧晶界结构在不同温度下的晶界位错演化湮没过程,从位错的运动形式和体系自由能的变化,分析晶界的消失过程和位错的相互作用。【结果】具有二维三角晶格原子点阵结构形成的对称倾侧晶界是由配对的位错对按直线规则排列构成,可以看成由2套位错Burgers矢量组成。晶界湮没主要有如下几方面的特征过程:首先晶界位错攀移,然后发生位错分解,晶界发射位错,位错由攀移运动转化为作滑移运动;接着滑移位错穿过晶粒内部,直到在对面晶界上湮没;剩余的晶界位错继续作攀移运动,然后又出现位错分解,晶界再次发射位错,使得位错转为作滑移运动,与其它作滑移运动的位错在晶内相遇湮没消失。【结论】在低温情况,位错是一对一对地按照一定的顺序发生湮没,而高温情况,位错湮没可以同时出现几对位错一起发生湮没。最后,所有晶界和位错全部消失。

Ag_2Al对Al-Ag合金硬化作用的电子结构分析

运用固体经验电子理论(EET),计算了Al-Ag合金析出的亚稳相γ/(Ag2Al)和稳相γ(Ag2Al)的价电子结构。结果表明析出相γ/和γ中的最强共价键强比合金基体的键强有明显的提高,最强键和次强键构成更加稳固的键络,这些由Ag-Ag原子构成的键络,分布在合金中使位错运动难以切割,从而使合金的强度得到一定提高。从价电子结构层次解释了Al-Ag合金时效过程中,γ/(Ag2Al)相和γ(Ag2Al)相对基体所起的硬化作用。