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高熵合金CoCrFeMnNi纳米压痕中位移突变现象和空位活动的关联性验证

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稀有金属材料与工程 2020年第12期49卷 4005-4009页

作者：徐小溪穆星奇朱超武汉理工大学物流工程学院湖北武汉430063

随着纳米压痕技术的进步,越来越多的数据表明纳米压痕中发生的位移突变现象不是完美晶格均质形核过程而是借助于空位的异质位错形核过程。但是这个结论主要是基于纳米压痕力学统计模型提取的激活能和激活体积这2个参数确立的,而鲜有实... 详细信息

随着纳米压痕技术的进步,越来越多的数据表明纳米压痕中发生的位移突变现象不是完美晶格均质形核过程而是借助于空位的异质位错形核过程。但是这个结论主要是基于纳米压痕力学统计模型提取的激活能和激活体积这2个参数确立的,而鲜有实验直接验证位移突变或位错形核与空位之间的关联。根据先前对高熵合金的纳米压痕研究,通过设计的纳米压痕实验来验证这种关联性。实验发现,当施加的载荷保持在亚临界水平一段时间后,依然可以观察到位移突变;而且,位移突变的大小(位移突变结束和开始时刻的位移差)与纳米压痕的压头尺寸成正比。位移突变对时间和压头尺寸的依赖性可以通过空位的特性得到合理的解释:第一,空位在任何载荷水平下都会发生迁移,而且需要一定时间形成空位堆作为位错的形核中心;第二,空位数量与压头作用区域的体积成正比,而这个体积又与压头尺寸成正比,另一方面,空位数量又决定了位错形核的数量进而解释了位移突变尺寸与压头尺寸成正比的现象。这也就从实验上直接验证了空位在位移突变或位错形核的过程扮演的重要角色。

关键词：纳米压痕位移突变位错形核空位时间相关性压头尺寸

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单晶铜纳米压印亚表层晶体结构演变机理

中国机械工程 2019年第16期30卷 1959-1966页

作者：王全龙张超锋武美萍陈家轩江南大学机械工程学院无锡214122 江苏省食品先进制造重点实验室(江南大学) 无锡214122 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

为研究纳米压印中单晶铜亚表层晶体结构演变机理,采用分子动力学方法构建纳米压印仿真模型并模拟单晶铜纳米压印过程。采用改进的中心对称参数法分析单晶铜试件位错形核过程及缺陷演化机理,发现纳米压印时位错缺陷在压头下方形核并沿{1 ... 详细信息

为研究纳米压印中单晶铜亚表层晶体结构演变机理,采用分子动力学方法构建纳米压印仿真模型并模拟单晶铜纳米压印过程。采用改进的中心对称参数法分析单晶铜试件位错形核过程及缺陷演化机理,发现纳米压印时位错缺陷在压头下方形核并沿{1 1 1}滑移系向试件内部扩展形成堆垛层错,试件表面有原子台阶残留,试件亚表面损伤层存在V形位错等典型缺陷。针对位错形核区域及位错扩展区域材料晶体结构状态的识别,采用球谐函数法对模拟结果进行分析。由分析结果可知:位错形核区域材料晶体结构由FCC转变为排列更为紧密的HCP和ICO结构;位错扩展区域材料主要转变为DFCC结构。

关键词：纳米压印球谐函数亚表层损伤位错形核晶体结构演变

7075铝合金热成形析出相演化规律和强度预测模型

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锻压技术 2021年第9期46卷 105-111页

作者：胡志力程彬洋魏鹏飞李欢欢武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室湖北武汉430070 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心湖北武汉430070 武汉理工大学材料绿色精密成形技术与装备湖北省工程中心湖北武汉430070 武汉工程大学机电工程学院湖北武汉430080

热成形后产生的位错会导致时效过程中基体和位错上析出相的形核与长大存在竞争,根据7075铝合金热拉伸实验得到的流变应力Arrhenius方程来描述热变形过程中析出相在位错上的析出行为和位错硬化行为。基于晶体学和析出动力学,通过热拉伸... 详细信息

热成形后产生的位错会导致时效过程中基体和位错上析出相的形核与长大存在竞争,根据7075铝合金热拉伸实验得到的流变应力Arrhenius方程来描述热变形过程中析出相在位错上的析出行为和位错硬化行为。基于晶体学和析出动力学,通过热拉伸实验和TEM分析铝合金热冲压成形后析出相的体积分数、析出相单位原子体积和动力学的关联关系,利用热力学分析析出相的尺寸演化,并将材料的流变行为和屈服强度贡献相结合,建立了HFQ?工艺析出相的析出演化模型和屈服强度预测模型。结果显示:强化析出相η′的体积分数随着时效时间的延长(0~28 h),先快速上升,达到峰值后出现一段平稳期,然后迅速下降,强化析出相η′的尺寸随着时效时间的延长(0~28 h)而增大,随着变形量的增大(10%~25%)而增大。

关键词：位错形核流变应力 HFQ?工艺析出相演化屈服强度预测模型

剪切作用下Cu(100)扭转晶界塑性行为研究

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物理学报 2010年第9期59卷 6362-6368页

作者：赵雪川刘小明高原庄茁应用力学教育部重点实验室清华大学航天航空学院北京100084

本文采用分子动力学方法研究了在剪切载荷作用下,Cu(100)扭转晶界对Cu柱屈服强度的影响.模拟结果发现,在加载过程中,低角度扭转晶界形成的位错网发生位错形核与扩展,位错之间的塞积作用提高了Cu柱的屈服强度;对于高角度扭转晶界,晶界发... 详细信息

本文采用分子动力学方法研究了在剪切载荷作用下,Cu(100)扭转晶界对Cu柱屈服强度的影响.模拟结果发现,在加载过程中,低角度扭转晶界形成的位错网发生位错形核与扩展,位错之间的塞积作用提高了Cu柱的屈服强度;对于高角度扭转晶界,晶界发生滑动降低了Cu柱的屈服强度.同时发现,随着扭转角度的增加,Cu柱的屈服强度先增大,当扭转角度大于临界角度时,Cu柱的屈服应力逐渐减小.这表明剪切载荷作用下,两种不同的机理主导Cu柱的屈服,对于小于临界角度的扭转晶界,Cu柱的屈服由晶界位错形核和扩展机理主导,对于大于临界角度的扭转晶界,晶界的滑动机制主导Cu柱的屈服.

关键词：扭转晶界分子动力学位错形核晶界滑移

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面心立方铝剪切变形的准连续介质模拟

固体力学学报 2009年第3期30卷 217-225页

作者：王华滔倪玉山秦昭栋复旦大学力学与工程科学系上海200433

采用准连续介质多尺度方法模拟了纳米尺度单晶铝的剪切变形.分别采用三种不同晶体取向(分别为x[1-10],y[001],z[-1-10];x[-1-12],y[111],z[-110];x[-110],y[-1-12],z[111])和三种不同长宽比的几何模型(分别为1∶1,2∶1,4∶1)进行模拟,得出各模型应力-应变响应曲线.加载过程中,对晶体内部变形比较剧烈的部分画出原子图,并从微观角度分析了产生剧烈变形的原因;讨论了三种晶体取向下的尺寸效应:单晶铝的剪切屈服应力随模型几何尺寸的增加而降低,并且随晶体取向的不同变化很大.最后,使用指数法则来描述模型的尺寸效应,提出了针对不同取向的指数法则参数,表明了晶体不同取向对剪切屈服应力的大小有影响.

关键词：准连续介质方法塑性屈服位错形核变形

金刚石位错形核和石墨—金刚石相变形核的分子动力学研究

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金刚石位错形核和石墨—金刚石相变形核的分子动力学研究

作者：杨慧珍燕山大学

学位级别：硕士

金刚石是自然界中硬度最高的材料,因其具有优异的力学、电学等性质而被广泛的应用在工业生产过程中。在高温高压下,石墨直接相转变合成金刚石是目前合成金刚石最常用的方法。因此,通过对金刚石的力学性质以及石墨-金刚石相变的研究,可... 详细信息

金刚石是自然界中硬度最高的材料,因其具有优异的力学、电学等性质而被广泛的应用在工业生产过程中。在高温高压下,石墨直接相转变合成金刚石是目前合成金刚石最常用的方法。因此,通过对金刚石的力学性质以及石墨-金刚石相变的研究,可以提高金刚石的性能。虽然目前已经进行了很多相关的研究,由于实验上的困难以及计算和理论参数的缺乏,金刚石的力学性质以及石墨-金刚石相变并没有得到很深的理解,这严重阻碍了金刚石在工业应用上的进一步发展。位错作为材料塑性变形的载体,是影响其力学性质的重要因素。基于此,本文采用理论方法,研究了金刚石中位错的形核过程以及位错对石墨-金刚石相变形核的影响。通过分子动力学方法,优化得到金刚石与石墨中的位错结构。金刚石中的位错芯半径皆小于一个伯氏矢量,且滑移面部分位错的能量低于拖拉面全位错的能量。在石墨中,其基面位错芯半径都大于几十倍的伯氏矢量,而能量仅约为0.1 eV/?。通过金刚石中滑移面部分位错以及拖拉面全位错的均质与非均质形核的激活参数的计算发现,没有外力作用时,其位错均质与非均质形核的激活能都大于100 eV。位错均质形核的临界形核应力都接近金刚石的理想剪切强度,非均质形核的临界形核应力分别为28.9 GPa和48.2 GPa。因此,在金刚石中,位错的非均质形核更容易发生。同时,当应变速率为10/s时,金刚石中存在位错形核与位错移动这两种变形模式的转变。在石墨-金刚石相变形核过程的研究中,通过分子动力学方法计算发现:当等静压为90 GPa时,石墨-金刚石相变均质形核的激活能仍达到61.1 eV。向石墨中引入位错后,在相同的等静压条件下,石墨-金刚石相变非均质形核的激活能远低于均质形核。同时,减小含有位错的石墨片层的大小或增加其数量,都能够使非均质形核的激活能降低一半甚至更多。

关键词：位错金刚石位错形核石墨-金刚石相变形核分子动力学

硅凝固生长过程中孪晶和位错形成与演变模拟研究

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硅凝固生长过程中孪晶和位错形成与演变模拟研究

作者：张弛南昌大学

学位级别：硕士

多晶硅太阳能电池因生产成本低和光电转换效率较高而成为光伏市场主流。但多晶硅太阳能电池因位错等晶体缺陷的存在,比单晶硅太阳能电池光电转换效率要低。降低定向凝固多晶硅中位错等缺陷密度成为业界努力的目标之一,然而实验上尚难以... 详细信息

多晶硅太阳能电池因生产成本低和光电转换效率较高而成为光伏市场主流。但多晶硅太阳能电池因位错等晶体缺陷的存在,比单晶硅太阳能电池光电转换效率要低。降低定向凝固多晶硅中位错等缺陷密度成为业界努力的目标之一,然而实验上尚难以在硅晶体生长过程之中观测分析缺陷的形成,对缺陷形成机理缺乏深入的认识。本文运用分子动力学模拟方法,硅原子间相互作用采用Tersoff势函数进行计算,就多晶硅中位错和孪晶这两类最重要的晶体缺陷开展了模拟研究,结果表明:（1）硅生长孪晶形成于{111}密排面上,是一个在密排面上HCP结构和FCC结构竞争生长,且HCP结构逐渐占优直至占据整个区域的过程。能量分析发现,硅原子在{111}密排面上的错排能非常低,生长过程两种结构同时出现的概率非常高。当硅晶体沿{111}面生长时,固液界面保持稳定并为密排面,形成孪晶概率最高;沿（110）和（112）面生长时,固液界面均会转化成被{111}小面包围的之字型界面,孪晶在{111}小面上形成,形成概率比沿{111}面生长时低;沿（100）面生长时,固液界面稳定,未能形成{111}小面,整个生长过程中也没有形成孪晶。（2）硅晶体生长过程中位错的形核是伴随在孪晶的形成过程之中,在{111}小面上竞争生长的HCP结构和FCC结构之间容易形成位错。不同面位错形核的难易程度由大到小的顺序为:（100）面＞（110）面＞（112）面＞（111）面。硅晶体沿相同晶面生长时,生长温度越高,位错越难形成。（3）硅晶体生长过程中易形成三种位错,它们是伯氏矢量为1/6＜112＞、1/12＜111＞的不全位错和1/6＜110＞梯杆位错。这些位错在晶体生长过程中伴随着分解和合成复杂变化,如伯氏矢量为1/2＜110＞的全位错会分解为两个伯氏矢量为1/6＜112＞的不全位错;伯氏矢量1/6＜112＞的不全位错仍会分解为亚稳态的1/12＜111＞的不全位错;而两个伯氏矢量为1/6＜112＞的不全位错会合成一个伯氏矢量为1/6＜110＞的梯杆位错。（4）位错形成后会反作用于硅晶体的生长过程。当硅晶体沿（110）面生长时,与生长面垂直的刃位错对硅晶体生长速率影响不大,而螺位错和60°位错则因对生长面的小面化有影响,而降低了硅晶体生长速率。

关键词：硅晶体生长孪晶形核位错形核分子动力学

硅晶体凝固生长及位错形核的分子动力学模拟研究

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硅晶体凝固生长及位错形核的分子动力学模拟研究

作者：吴小元南昌大学

学位级别：硕士

晶体硅是当前和未来相当一个时期主要的光伏材料。它一般通过直拉法和定向凝固法获得。前者得到单晶硅棒,后者得到多晶硅锭。后者因相对成本低而更具竞争力,但也因其结晶缺陷形成更难于控制而在技术上更具有挑战性。本文主要针对硅晶体... 详细信息

晶体硅是当前和未来相当一个时期主要的光伏材料。它一般通过直拉法和定向凝固法获得。前者得到单晶硅棒,后者得到多晶硅锭。后者因相对成本低而更具竞争力,但也因其结晶缺陷形成更难于控制而在技术上更具有挑战性。本文主要针对硅晶体的定向凝固生长进行研究,包括其生长动力学各向异性和对晶体硅电学性能影响最大的位错缺陷的形成条件与形成机制。采用的方法为分子动力学计算模拟,这是迄今为止唯一能够在原子尺度模拟跟踪位错形成动态过程的方法。本研究选择Tersoff势函数描述硅原子间的相互作用,构建了晶体硅定向凝固的NPT系综生长模型和外加应力施加方法,以Nose-Hoover算法控制和恒定温度,以Andersen算法控制和恒定压强,应用LAMMPS软件进行模拟实验。模拟研究结果显示,晶体硅凝固生长速率及其受应力影响情况有明显的各向异性,不同方向晶体生长速率大小关系为[100][110][112][111]???????;对于同一生长方向,在压应变条件下,随着应变的增大晶体生长速率降低,而在拉应变条件下,晶体生长速率先随着应变的增大而增大,再随着应变的增大而减小,不过＜110＞生长中,在压应变条件下晶体生长速率出现反常。模拟结果揭示,不同方向晶体生长过程中位错形核情况也存在各向异性。在＜100＞、＜110＞、＜111＞、＜112＞方向自然生长中,＜112＞和＜111＞生长过程中能观察到位错的形核,另外两个方向上,在多次模拟生长试验中都未出现位错;＜112＞生长中,固液界面呈{111}小面化特征,生长过程中会出现沿{111}面的堆垛层错,而位错即在{111}面上于层错边沿处形成;＜111＞生长中位错直接形核于固液界面。在外加应力条件下,＜100＞、＜110＞、＜111＞和＜112＞生长过程中均能观察到位错形核;在较大的应变条件下,＜100＞和＜110＞生长中的位错形核概率会显著提升;而一定的应变范围内,＜112＞和＜111＞生长中的位错形核概率却会降低。在应变下的晶体生长过程中会出现―V‖型固液界面,而位错形核于―V‖型凹槽附近的晶体无序化—重结晶的过程中,而且形成的位错是位于生长面内的垂直于生长方向的一对位错偶极子;但＜110＞生长中还有沿生长方向的位错形核。另外,对＜112＞晶体生长中的过冷度和温度梯度条件模拟结果表明,当过冷度和温度梯度达到一定值时,＜112＞方向自然生长中才会观察到位错形核。

关键词：晶体生长位错形核应变硅分子动力学

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固体塑性微观机制加速分子动力学模拟

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