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应力场诱发表面扩散下晶内微孔洞演化的相场模拟

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2022年第3期39卷 280-290页

作者：周林勇黄佩珍张嘉明南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

基于四次双阱势函数的体自由能密度和退化的迁移率,建立了一个相场模型来模拟应力场中表面扩散诱发的晶内微孔洞的演化,推导了相应的控制方程。使用自适应网格的有限单元法计算了不同应力Λ,不同形态比β和不同线宽hˉ下椭圆形微孔洞的... 详细信息

基于四次双阱势函数的体自由能密度和退化的迁移率,建立了一个相场模型来模拟应力场中表面扩散诱发的晶内微孔洞的演化,推导了相应的控制方程。使用自适应网格的有限单元法计算了不同应力Λ,不同形态比β和不同线宽hˉ下椭圆形微孔洞的演化,并验证了程序的可靠性。结果表明,在等轴双向拉应力作用下,晶内微孔洞存在临界应力值Λc,临界形态比βc和临界线宽h_(c)。当Λ≥Λ_(c)、β≥β_(c)或h≤h_(c)时,椭圆形微孔洞逐渐形成裂纹尖端而失稳。当Λh_(c)时,椭圆形微孔洞逐渐呈现圆柱化并保持稳定。失稳时间随着应力或形态比的增大而减小,随着线宽的增大而增大。此外,对于包含两个相距不远的椭圆形微孔洞的内连导线,其应力促进孔洞的合并。

关键词：相场法应力迁移表面扩散有限元法晶内微孔洞

表面扩散机制下非等径金属粉末烧结过程的数值模拟研究（英文）

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稀有金属材料与工程 2017年第10期46卷 2842-2846页

作者：宋敏郑洲顺谌东东汤慧萍王建忠中南大学湖南长沙410083 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室陕西西安710016

主要进行了表面扩散机制下非等径金属粉末烧结过程的数值模拟研究。为了准确地描述非等径金属粉末的烧结过程,对表面扩散模型建立了更加合适的初始边值条件,并用有限差分法对该模型进行数值求解,实现了半径比为1:1、1:1.5、1:2的非等径... 详细信息

主要进行了表面扩散机制下非等径金属粉末烧结过程的数值模拟研究。为了准确地描述非等径金属粉末的烧结过程,对表面扩散模型建立了更加合适的初始边值条件,并用有限差分法对该模型进行数值求解,实现了半径比为1:1、1:1.5、1:2的非等径金属粉末烧结过程的二维及三维数值模拟。非等径金属粉末烧结过程的数值模拟结果与实验结果吻合较好。最后,分析了非等径金属粉末的半径比对烧结颈半径生长速度的影响。数值模拟结果表明:随着金属粉末半径比的减小,烧结颈半径生长速度逐渐变快。

关键词：烧结金属粉末表面扩散有限差分半径比

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表面扩散机制下金属纤维烧结过程的数值模拟

中南大学学报（自然科学版） 2017年第11期48卷 2851-2858页

作者：宋敏郑洲顺谌东东曹稳傅太白汤慧萍中南大学数学与统计学院湖南长沙410083 中南大学机电工程学院湖南长沙410083 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室陕西西安710016

基于金属纤维烧结结点的不同截面为椭圆-椭圆结构,建立金属纤维烧结过程的表面扩散模型。用有限差分法对该非线性微分方程组进行数值求解,实现金属纤维烧结结点形成过程的数值模拟。以夹角为0°,45°和90°的金属纤维为主要研究对象,对... 详细信息

基于金属纤维烧结结点的不同截面为椭圆-椭圆结构,建立金属纤维烧结过程的表面扩散模型。用有限差分法对该非线性微分方程组进行数值求解,实现金属纤维烧结结点形成过程的数值模拟。以夹角为0°,45°和90°的金属纤维为主要研究对象,对其烧结过程进行数值模拟。研究结果表明:在初始烧结阶段,烧结颈半径会迅速长大,随着烧结过程的进行烧结颈生长速度逐渐减小。在相同纤维夹角的条件下,在锐角平分线截面的烧结颈半径生长速度比在钝角平分线截面快;在不同纤维夹角的条件下,纤维夹角越大,在沿钝角平分线截面烧结颈半径生长速度越快,而在锐角平分线截面情况相反。

关键词：金属纤维表面扩散有限差分烧结颈

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基于表面扩散机制金属纤维烧结的三维模拟

稀有金属材料与工程 2016年第11期45卷 2912-2917页

作者：谌东东郑洲顺汤慧萍王建忠中南大学湖南长沙410083 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室陕西西安710016

根据两条相交金属纤维在交接处不同方向的截面是不同的椭圆-椭圆结构,基于表面扩散机制,在任意方向截面上建立金属纤维烧结结点的椭圆-椭圆模型,用水平集方法对所建模型进行数值求解,实现对任意方向截面上金属纤维烧结结点生长过程的二... 详细信息

根据两条相交金属纤维在交接处不同方向的截面是不同的椭圆-椭圆结构,基于表面扩散机制,在任意方向截面上建立金属纤维烧结结点的椭圆-椭圆模型,用水平集方法对所建模型进行数值求解,实现对任意方向截面上金属纤维烧结结点生长过程的二维数值模拟。将不同方向截面上的数值模拟结果进行重构,给出了金属纤维烧结结点生长过程的三维数值模拟方法。对夹角为60°的两条金属纤维烧结结点的生长过程进行了三维数值模拟,分析了不同方向截面上烧结颈半径的生长速度。数值结果表明,越靠近纤维锐角平分线方向烧结颈半径生长速度越快。数值模拟结果表明,金属纤维在各个截面上的初始局部几何结构对烧结颈的形成起到关键作用。

关键词：金属纤维表面扩散烧结颈数值模拟初始局部几何结构

Al原子在Ni基衬底表面的扩散及团簇的形成

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物理学报 2020年第13期69卷 210-218页

作者：张宇文邓永和文大东赵鹤平高明吉首大学物理与机电工程学院吉首416000 湖南工程学院计算科学与电子学院湘潭***

NiAl纳米颗粒具有较高的能量密度和良好的高温力学性能,铝吸附原子在不同镍基表面上的扩散行为与不同扩散机制对铝在镍基表面沉积生长的影响有待进一步阐明.本文通过采用肘弹性带和分子动力学结合嵌入原子势的方法,系统地研究了单个铝... 详细信息

NiAl纳米颗粒具有较高的能量密度和良好的高温力学性能,铝吸附原子在不同镍基表面上的扩散行为与不同扩散机制对铝在镍基表面沉积生长的影响有待进一步阐明.本文通过采用肘弹性带和分子动力学结合嵌入原子势的方法,系统地研究了单个铝吸附原子在镍基表面的扩散行为和纳米颗粒团簇在十面体(DEC)、立方八面体(CUB)和二十面体(ICO)结构上的生长.研究结果表明:Al吸附原子在三种Ni基底上表面扩散的交换与跳跃两种机制,最低的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒为0.38 eV(交换CUB{111}→100})、0.52 eV(交换DEC{111}→100})和0.52 e V(跳跃ICO{111}→111}),从{111}面扩散到{100}面主要以交换机制为主,而相邻两个{111}面之间的扩散则以跳跃机制为主.沉积的铝原子首先倾向于扩散到台阶边缘和顶点附近.随着Al原子数量的增加,沉积的Al原子开始聚集.对于Ni团簇上的Al原子,在较低温度下在镍基底表面沉积Al原子,可以获得良好的Ni核/Al壳结构.对于二十面体结构基底,其对应的核壳团簇的缺陷数最小,随后为十面体结构和八面体结构.随着生长温度的增加NiAl纳米粒子的表面逐渐开始合金化.

关键词： Ni 基衬底表面扩散纳米粒子生长核壳结构嵌入原子势(EAM)

基于表面扩散机制金属纤维烧结的二维模型和三维重构（英文）

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稀有金属材料与工程 2017年第6期46卷 1474-1479页

作者：谌东东郑洲顺王建忠汤慧萍中南大学湖南长沙410083 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室陕西西安710016

根据金属纤维烧结结点在不同方向的椭圆-椭圆结构,基于传统的表面扩散数学模型,建立了椭圆-椭圆模型。用水平集方法对模型进行数值求解,实现了金属纤维的二维模拟。此外,提出了三维重构方法描述烧结金属纤维复杂的三维几何结构。夹角为3... 详细信息

根据金属纤维烧结结点在不同方向的椭圆-椭圆结构,基于传统的表面扩散数学模型,建立了椭圆-椭圆模型。用水平集方法对模型进行数值求解,实现了金属纤维的二维模拟。此外,提出了三维重构方法描述烧结金属纤维复杂的三维几何结构。夹角为30°的2根金属纤维烧结的二维模拟和三维重构结果与实验结果相符,这说明本研究的二维模型和三维重构方法是正确的。另外,数值模拟结果表明:从2根金属纤维的钝角平分线方向到锐角平分线方向,烧结颈的生长速率增大。

关键词：二维模型三维重构金属纤维烧结颈表面扩散

空位在金刚石近(001)表面扩散的分子动力学模拟

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物理学报 2002年第6期51卷 1388-1392页

作者：胡晓君戴永兵何贤昶沈荷生李荣斌上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200030

用分子动力学方法模拟了空位在金刚石近 (0 0 1)表面的扩散过程 ,研究了温度对空位扩散的影响 .结果表明 ,当温度为 10 0 0K左右时 ,位于近表面第二层上的空位开始向表面运动 ;当温度在 140 0— 2 0 0 0K时 ,空位完全扩散到表面 .这与... 详细信息

用分子动力学方法模拟了空位在金刚石近 (0 0 1)表面的扩散过程 ,研究了温度对空位扩散的影响 .结果表明 ,当温度为 10 0 0K左右时 ,位于近表面第二层上的空位开始向表面运动 ;当温度在 140 0— 2 0 0 0K时 ,空位完全扩散到表面 .这与实验结果和其他计算结果符合得很好 .同时发现 ,温度为 140 0— 180 0K时 ,空位的扩散经历了两次迁移运动 ,其分别对应了均方位移图中的两个极大值 .在不施加任何约束的条件下得到了空位的动态扩散路径 ,空位在金刚石近 (0 0 1)表面的扩散势垒约为 0 4 2eV .并探讨了一定温度下空位数目增多及其不同排列方式对空位扩散的影响 .

关键词：表面扩散模拟金刚石空位分子动力学金刚石薄膜

考虑表面扩散的实际状态页岩气表观渗透率新模型

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中国石油大学学报（自然科学版） 2018年第4期42卷 82-90页

作者：李冬冬张艳玉孙晓飞赵风凯崔晓朵乔伟泽苏玉亮中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院山东东营257015 辽河油田安全环保技术监督中心辽宁盘锦124010

为了表征实际状态下的页岩气在纳米孔隙中的运移,考虑黏滞流、Knudsen扩散以及表面扩散机制,推导出页岩气表观渗透率模型。以224组试验数据为依据,优选所建模型中压缩因子及黏度的计算方法,并通过实际试验数据系统验证所建模型的准确性... 详细信息

为了表征实际状态下的页岩气在纳米孔隙中的运移,考虑黏滞流、Knudsen扩散以及表面扩散机制,推导出页岩气表观渗透率模型。以224组试验数据为依据,优选所建模型中压缩因子及黏度的计算方法,并通过实际试验数据系统验证所建模型的准确性。通过定义黏滞流、Knudsen扩散以及表面扩散渗透率比重,计算各机制的贡献率。分析压力、孔隙半径等因素的影响。结果表明:所建模型能够准确预测页岩气的表观渗透率,误差为3.02%,优于现有模型;优选出的DK模型和Sutton模型计算压缩因子和黏度误差分别为0.53%和2.7%,压力和孔隙半径对表观渗透率影响最大;Langmuir最大吸附量、Langmuir压力以及等量吸附热主要影响表面扩散渗透率比重;在低压和高压条件下,各因素对表观渗透率及比重的影响表现出不同的变化规律;孔隙半径为1 nm、压力分别为0.1和20 MPa时,表面扩散对渗透率的贡献率达75%和30%,说明低孔隙半径或低压条件下表面扩散现象不可忽略。

关键词：页岩气纳米孔隙黏滞流 Knudsen扩散吸附表面扩散表观渗透率

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多场诱发表面和晶界扩散下沿晶微裂纹的演化

工程力学 2015年第11期32卷 27-32,39页

作者：李晓伟黄佩珍南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

基于表面扩散和晶界扩散的经典理论及其弱解描述,对应力迁移、电迁移诱发表面扩散和晶界扩散下金属材料内部沿晶微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了扩散系数之比f、应力场Λ、电场χ和形态比β对沿晶微裂纹演化的影响。结果表明... 详细信息

基于表面扩散和晶界扩散的经典理论及其弱解描述,对应力迁移、电迁移诱发表面扩散和晶界扩散下金属材料内部沿晶微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了扩散系数之比f、应力场Λ、电场χ和形态比β对沿晶微裂纹演化的影响。结果表明:多场下的沿晶微裂纹存在分节与不分节两种演化分叉趋势。f和χ有助于沿晶微裂纹扩展,而Λ阻碍沿晶微裂纹扩展。裂腔分节时间随着Λ的增大而逐渐减小,而随着β的增大而增大。当χ≤50时,随着χ的增大,裂纹分节的时间显著减小,即χ加速裂纹分节;当χ>50时,χ对裂纹分节时间的影响不明显。

关键词：沿晶微裂纹表面扩散晶界扩散有限元法应力迁移电迁移