晶体相场(PFC)模型研究纳米晶金属的缺陷演化及其对力学性能的影响

用最新发展的晶体相场(PFC)模型，充分发挥其在扩散特征时间尺度的优势，在宽的特征时间尺度范围(包括了缺陷运动的扩散特征时间尺度到原子振动特征时间尺度范围)，从较大的空间尺度深入到原子空间尺度，在原子级尺度和多尺度范围研究微晶和纳米晶金属的缺陷结构变化、迁移运动；将PFC模型应用到纳米孪晶材料的最新研究前沿，研究纳米晶金属变形过程中，位错与晶界的相互作用及其对性能的影响，特别是研究孪晶界对纳米晶金属的强弱化作用；实现PFC方法调控孪晶界结构和孪晶片层厚度来模拟制备各种孪晶界的构成，揭示纳米孪晶对纳米晶金属的强弱化作用机理的内在本质。这些对今后设计开发新型优异的纳米孪晶金属有重要的指导作用，同时也使我国在这一领域的竞争中进入国际前列。

用最新发展的晶体相场模型(PFC)模型，研究对称晶界以及孪晶界在变形过程中的结构变化特征；计算模拟纳米晶金属的位错产生、运动、湮没过程及其相互作用形式；观察晶界结构演化过程中，观察到在外加应变作用下的晶界以及位错的湮没、晶界分解和亚晶界湮没的过程，以及晶界湮没过程存在3种位错反应机制：晶界的位错分解，位错与位错合并，位错与位错相遇湮没。研究高温下晶界结构熔化转变，位错对晶界熔化的影响等，观察到外加应变引起晶界位错的组态发生变化，可导致位错的数量发生变化和位错柏氏矢量方向发生旋转，反映出了两相互靠近、连通和分离的预熔化区域之间相互作用的不同阶段。研究发现，在这两个预熔化的准晶粒连通交接区域存在2个交叉滑移带和2个滑移方向，可出现交替滑移现象。预测了高温变形回复过程的硬化和软化过程可发生交替转换。针对刃型位错的滑移运动，通过引入外力场与体系原子密度耦合作用项，构建包含外场作用项的无量纲自由能密度函数，建立剪切应变作用体系的PFC模型，该模型能够很好地模拟双相双晶体系的位错攀移和滑移运动，还能够计算位错滑移的Peierls势垒和滑移速度。研究剪切应变作用下晶体的位错运动特征，结果表明：施加较大的剪切应变率作用，位错滑移运动会很快达到过阻尼范围，位错以恒定速度作连续滑移运动，具有刚性运动特征；剪切应变率较小时，体系能量变化出现周期波动特征，运动出现周期“颠簸”式攀移或滑移运动，具有粘滞运动特征。研究材料在单双轴拉伸条件下微裂纹扩展与分叉的演化过程，结果表明：初始裂口形状对裂纹扩展有明显的影响；应变需要达到一定的临界值，裂纹扩展才会启动；对于２组相互垂直的双轴拉伸作用，初始裂口在应力的作用下不断长大，在扩展过程中，还会在分叉处出现孤立的微小空洞，这些微小空洞将成为新的裂纹萌生之地，这与相关模拟结果和实验结果符合。