【摘 要】
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晶体材料的塑性变形主要受到其位错运动和晶体结构转变的影响。最近的研究发现许多新的位错扩展组态结构,由此引起学术界的广泛关注,并开展相关的研究和探索。基于密度泛函理论的晶体相场方法（PFC）是一种先进的材料数值模拟方法,具有原子级分辨尺度。目前,PFC方法已被广泛使用在模拟材料纳观缺陷结构演化中。针对双晶在应变作用条件下位错组态扩展演化行为,本文应用PFC方法研究小角度体心立方（BCC）双晶材料的位
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晶体材料的塑性变形主要受到其位错运动和晶体结构转变的影响。最近的研究发现许多新的位错扩展组态结构,由此引起学术界的广泛关注,并开展相关的研究和探索。基于密度泛函理论的晶体相场方法（PFC）是一种先进的材料数值模拟方法,具有原子级分辨尺度。目前,PFC方法已被广泛使用在模拟材料纳观缺陷结构演化中。针对双晶在应变作用条件下位错组态扩展演化行为,本文应用PFC方法研究小角度体心立方（BCC）双晶材料的位错组态演化及其对BCC-面心立方（FCC）结构转变的影响。通过研究其位错扩展组态演化、位错的应变场分布、应力-应变关系及自由能变化等情况,揭示位错扩展与位错增殖机制以及位错增殖诱发BCC-FCC结构转变的机理。得出的主要结论如下:1.在拉伸应变作用下,晶界位错a[100]发生扩展,其扩展宽度随外应变的增加而增加。当位错扩展宽度达到临界值时,晶界扩展位错a[100]分解和增殖:(α[100]→(α[100]+(α[（?）00]+(α[100]。在压缩应变的作用下,空位盘和新位错在晶界位错处形核,以松弛压应变,协调晶粒间的变形。增殖的位错组成亚晶界因位错的集体滑移而发生晶界迁移。新晶粒随着亚晶界的迁移而吞噬旧晶粒长大,其长大的速度符合Orowan关系。2.通过位错线弹性理论建立体系能量模型,位错组态演化的能量变化ΔE和应变能ΔUs相互竞争。在外应变作用下,位错组态扩展运动时,消耗的能量ΔE要小于ΔUs的增加,体系总体能量W上升。当体系能量达到极大值后,体系的能量失稳,发生位错增殖和位错滑移湮没现象,其消耗的能量ΔE要大于ΔUs的增加,释放积累的应变能,体系的能量W下降。3.在y轴拉伸和x轴压缩应变作用下,BCC双晶晶界位错出现扩展与分解。FCC相在位错滑移带上因新位错增殖导致的应变失稳而形核,并随着新位错的滑移而长大。外加应变使BCC晶格通过Bain畸变而产生新相FCC晶格,又因位错的滑移产生的剪切力使晶格产生旋转,生成惯习面。该晶体结构转变的取向关系符合Nishiyama-Wassermann（N-W）取向关系:[001]BCC//[011]FCC,（110）BCC//（11（?））FCC。4.双晶体系的BCC-FCC结构转变过程分为4个阶段。第一阶段为BCC相弹性变形阶段,BCC相结构不变,体系自由能快速上升。第二阶段为位错滑移主导塑性变形阶段,位错发生扩展分解和滑移,缺陷周围的无规则排列原子数量增加,引起体系的应变能上升。第三阶段为BCC-FCC结构转变主导的塑性变形阶段。位错增殖后,FCC相随着位错滑移运动吞噬BCC相和缺陷原子而快速长大,释放积累的应变能。位错的增殖对结构转变具有促进作用。第四阶段为FCC相弹性阶段,BCC相结构消失,体系转变为FCC相双晶结构。本文应用连续介质理论与原子尺度的PFC方法,所得到以上结果和结论与相关理论和实验结果相符。这对位错结构组态演化以及晶体结构转变方面的研究有一定的指导作用,对理解材料塑性变形行为和材料结构设计也有重要意义。
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