非共格晶界及其偏析对3C-SiC在超临界二氧化碳中氧化影响的Reaxff-MD模拟

为理解SiC材料在超临界二氧化碳(sCO_(2))反应堆中的腐蚀失效机理,本文通过分子动力学模拟研究了3C-SiC在sCO_(2)环境中的氧化行为,并深入探讨了非共格晶界处元素偏析对氧化的影响。结果显示,非共格晶界区域的氧化速度比单晶快,且硅元素或碳元素的偏析均会加剧非共格晶界处的氧化。非共格晶界的加速氧化归因于晶界区域内的未完全配位硅原子,这些硅原子更容易与氧原子成键。非共格晶界的元素偏析进一步加强了非共格晶界处SiC的氧化速度,其中硅元素的偏析使硅原子更难以完全配位,这导致晶界处有更多的硅原子带较低的正电荷,而碳元素的偏析则使得晶界处自由体积更大,氧原子可以与更深层的硅原子成键。本研究揭示了3C-SiC在sCO_(2)中的腐蚀机理以及非共格晶界加速腐蚀的原因,为SiC材料在sCO_(2)反应堆中的退化机制提供了理论支持。

单晶Pt中位错与非共格孪晶界反应的原位原子尺度观察

非共格孪晶界(incoherent twin boundary,ITB)是金属中一种重要的晶界结构,其原子层次结构对金属的力学性能有显著影响。之前虽有一些关于ITB的结构演化及动态行为研究报道,但ITB与全位错相互反应导致ITB结构变化的原位研究还很少见,相关的原子层次机制仍然不清楚。本文以具有高密度生长孪晶的Pt薄膜为研究对象,利用高角环形暗场像揭示了Pt薄膜中ITB的原子结构。在原子层次原位观察到了全位错向ITB运动靠近,然后被ITB吸收的过程。原子尺度的位移分布测量表明全位错向ITB靠近的过程中就会引起ITB结构的变化。分子动力学模拟以及能量计算结果揭示出全位错容易被ITB吸引,然后形成了新的ITB结构而降低系统能量,这一结果很好地解释了这种新ITB结构在生长的薄膜中经常被观察到的原因。

304不锈钢冷轧退火∑3^n特殊晶界分布研究

采用电子背散射衍射（EBSD）技术研究了固溶处理的304不锈钢经6％-50％冷轧变形后在1173K下进行长时间（24—96h）退火后的晶界特征分布（GBCD）．结果表明，经小变形（约6％）冷轧退火后的样品出现了较多的∑3^n（n=1，2，3）特殊晶界，较好地隔断了一般大角度晶界网络的连通性．通过基于EBSD的单一截面迹线法对共格和非共格∑3晶界进行了区分测定，显示被优化的晶界特征分布中，非共格∑3孪晶界是其主要部分．进一步分析指出，非共格∑3晶界的迁移和反应与基于退火孪晶的中低层错能金属材料GBCD优化密切相关．

不同温度轧制Pb-Ca-Sn-Al合金高温退火后的晶界特征分布

采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了不同温度轧制的Pb-0.09Ca-1.5Sn-0.026Al(质量分数,%)合金经后续270℃/10 min退火后的晶界特征分布(GBCD),结果表明:经室温和液氮(-196℃)轧制的样品中出现了比较多的∑3,∑9和∑27特殊晶界,∑3品界比例超过了60%,(Σ9+∑27)晶界比例超过了12%,并且特殊晶界有效地阻断了一般大角度晶界的网络连通性,表明合金的GBCD破优化;在100℃轧制的样品中特殊晶界比例较少,Σ3品界比例在30%左右,(∑9+∑27)晶界比例在3%左右,特殊晶界不能有效地阻断一般大角度晶界的网络连通性,合金的GBCD没有被优化,通过基于EBSD的单一截面迹线法对共格和非共格Σ3品界进行了区分测定,显示被优化的晶界特征分布中,非共格Σ3品界是主要部分。

FCC金属中位错与孪晶界交互作用的原子机制

如何同时提高FCC结构金属材料的强度、延展性等力学性能,一直是材料科学领域的重点和热点问题。研究者们发现在FCC结构金属材料中引入孪晶结构可使其在塑性变形过程中表现出优异的强度、延展性等力学性能。随后,大量的实验及计算模拟研究了孪晶能够提高材料强度并确保其具有高延展性的原子机制,取得了许多重要的成果。本文介绍了FCC结构金属材料中孪晶的结构及形核方式;综述了目前人们在位错与孪晶界交互作用原子机理研究中的主要进展;总结了孪晶界对位错的阻碍、吸收、相互反应等作用机制。为进一步深入研究位错与孪晶界交互作用的机制提供参考,为设计兼具高强度高延展性的FCC金属材料提供思路。

纯铜[01■]倾侧型非共格Σ_3晶界结构稳定性分子动力学模拟研究

有研究表明,非共格Σ3晶界的行为在中低层错能面心立方金属晶界特征分布演化中发挥着重要作用.为了掌握不同界面匹配的非共格Σ3晶界的特性,本文利用分子动力学(MD)模拟方法首先研究了纯铜的[01■]倾侧型非共格Σ3晶界在700—1100K温度范围内和常压下的结构稳定性.MD模拟采用原子间相互作用长程经验多体势,步长为5×1015s.模拟结果表明:所研究的五个非共格Σ3晶界,其结构稳定性存在很大差异,其一般规律是,与(111)/(■11)共格孪晶界之间的夹角(Φ角)越小,晶界匹配值越大,则非共格Σ3晶界越稳定;反之亦然.Φ角最小的(255)/(■11)非共格Σ3晶界较稳定,在退火过程中几乎不发生变化.随着Φ角的增大,非共格Σ3晶界不再稳定,这类晶界会通过Miller指数较高一侧晶体每三层原子面合并为一层原子面(或Miller指数较低一侧晶体每一层原子面分解为三层原子面)的机理转变为亚稳的"台阶"状晶界,台阶面部分地处于精确的能量极低的{111}/{111}共格孪晶界上;当提高温度退火时,这种"台阶"状晶界最终会全部转变成稳定平直的{111}/{111}共格孪晶界.

中间相沥青基石墨中缺陷的原子尺度

含有大量液晶分子的中间相沥青是制备轴向高导热炭/炭复合材料的重要原料,以中间相沥青基炭纤维为增强体与中间相沥青基体经液相浸渍法制备高导热炭/炭复合材料。中间相沥青基体随着热处理温度不断升高逐渐转化为包含诸多缺陷的石墨晶体,这些缺陷对复合材料的热传导有较大影响。利用透射电子显微镜研究中间相沥青基石墨晶体中的缺陷结构,尤其是不完整石墨晶体[11 0]晶带轴衍射谱中(10)列衍射斑点拉线的成因。结果表明,中间相沥青基体经3 000℃热处理后主要形成六角石墨,但六角石墨主体中夹杂数层菱形石墨,进一步发现,够成(10)列衍射拉线的缺陷主要包括两类:层错(基面间不同程度位移形成的位移缺陷)和晶界(相邻晶粒间相互旋转形成的旋转缺陷以及非共格晶界)。

镍基合金表面五重孪晶形成的分子动力学模拟

五重孪晶结构能够改善合金的表面性能,而关于合金五重孪晶化表面的研究较少报道。基于分子动力学模拟和纳米压痕方法,采用嵌入原子势函数(EAM)和等温等压系综(NPT),使用半径为14 nm的圆柱压头以40 m/s的压痕速度沿着[112]晶向对单晶镍基合金持续压痕,采用共领域分析法对合金在应力诱导作用下的变形行为进行了分析。结果表明,非共格孪晶界形成于四个不同{111}滑移面交叉中心附近。交叉中心处白色高能原子发射不全位错,堆垛层错产生。随着不全位错持续发射,孪晶得以形核、生长,孪晶界相继形成,最终五重孪晶形成于合金表面。合金表面中五重孪晶的形成并非源于晶界连续不断发射不全位错,而是与压痕过程中合金表面能量增加以及非共格孪晶界息息相关。