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相场方法研究弹性应力场作用的溶质析出长大过程

作　者: 田军龙
导　师: 高英俊
学　校: 广西大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 相场法弹性应力场位错析出长大
分类号: TB303
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

相场方法由于具有较深刻的物理思想,不需要跟踪界面的运动,已成为材料科学研究中重要的计算方法之一,广泛应用于材料科学中的微结构演化的研究中。相场方法对研究缺陷对材料微结构演化的影响有明显优势。位错和应变的存在对材料微结构演化和宏观性能有着很大的影响。因此研究应变能及位错对材料微结构的影响将具有重要意义。针对应力场与位错及位错组对溶质析出的影响,本文运用先进的相场方法研究位错线附近的点阵畸变产生的应变能对溶质析出的影响；研究晶格错配产生的弹性应变能作用下,调幅分解过程中溶质析出的形貌变化。主要的研究结果及创新工作如下：1.通过对晶格错配弹性应变场作用的溶质析出过程的研究,率先提出包含一次方的浓度场与弹性应变场相互作用的自由能函数,阐明了弹性应力场对浓度场的溶质析出有很大的影响。2.研究发现溶质首先在位错处析出,并且在刃型位错处不需要热力学扰动就能诱发溶质形核长大析出。由于正位错的下侧受到位错张应力作用,溶质优先在该处形核析出长大,而在上侧受到压应力作用,使得溶质被消耗减少；3.详细计算模拟了多种刃位错组态的溶质析出形貌特征,揭示出不同的位错组态对溶质析出的影响规律：在各个位错处第二相形核析出长大的形貌受到各个位错的共同作用的影响,并不仅仅取决于析出位置处的位错,还与其周围的位错状态有关；正刃位错上侧限制第二相形核析出,而下侧则促进溶质析出,因此不同的位错组态可析出不同形貌的析出相。4.揭示了刃位错及刃位错组诱发的第二相形核析出长大过程中溶质原子的扩散规律：先发生的都是离位错线近的近程扩散,随着时间的演化,后期还发生远程扩散,以促使第二相形核析出长大。本文建立了浓度场与弹性应变场相互作用的自由能函数,用于研究位错不同组态的应力场对溶质析出的影响,合理地揭示了溶质析出的形貌特征及扩散规律。这些结果对指导构建长程和短程的位错组态分布,或周期分布的应力场,设计出纳米级微电子芯片的集成结构有一定的指导作用。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 材料学中计算机模拟方法的介绍  11-14
    1.2.1 计算模拟对材料研究的意义  11-12
    1.2.2 材料微结构演化的模拟尺度及一般方法列举  12
    1.2.3 材料微结构演化模拟的一般方法的优缺点  12-13
    1.2.4 相场方法—扩散界面场模型  13-14
  1.3 匀相转变动力学理论的概述  14-17
    1.3.1 经典形核理论及非经典形核理论  14-15
    1.3.2 经典长大理论  15
    1.3.3 LSW理论及其推广  15-16
    1.3.4 失稳分解  16-17
  1.4 晶格重排弹性应变能  17-18
  1.5 本文研究的主要内容、创新点及意义  18-19
第二章相场动力学模型与数值算法  19-29
  2.1 相场模型的基本理论  19
  2.2 相场模型的自由能方程的建立  19-21
  2.3 相场模型动力学方程  21-22
  2.4 相场模型的数值计算  22-25
    2.4.1 实空间中拉普拉斯算符的处理  22-23
    2.4.2 傅立叶空间中拉普拉斯算符的处理  23
    2.4.3 傅立叶波谱方法求解动力学方程  23-25
  2.5 微观弹性理论与弹性应变能的推导  25-28
    2.5.1 Khachaturyan的弹性应变能模型  25
    2.5.2 弹性应变能的推导(详细推到过程见附录C)  25-28
  2.6 MATLAB编程模拟思路  28-29
第三章共格粒子弹性应变场对溶质析出的影响  29-41
  3.1 考虑弹性应变能的自由能方程及动力学方程  29-31
  3.2 弹性应变场对对称点成分处单个粒子调幅分解演化的影响  31-34
    3.2.1. 没有考虑应变场条件下单个析出相粒子的演化  31-33
    3.2.2. 考虑应变场条件下ξ=-1的单个析出相粒子的演化  33-34
  3.3 弹性应变场对对称成分点调幅分解微观结构的影响  34-36
  3.4 弹性应变场对非对称成分点调幅分解微观结构的影响  36-40
  3.6 本章小结  40-41
第四章位错的弹性应变能对溶质析出长大的影响  41-63
  4.1 引言  41
  4.2 存在位错的弹性应变能的推导  41-42
  4.3 刃型位错自由能方程及动力学方程  42-44
  4.4 单个刃位错对第二相析出的材料微结构演化的影响  44-49
  4.5 存在一列刃型位错时第二相析出演化  49-52
  4.6 存在多列刃型位错时第二相析出演化  52-56
  4.7 存在两对相反刃型位错时第二相析出演化Ⅰ  56-60
  4.8 存在两对相反刃型位错时第二相析出演化Ⅱ  60-62
  4.9 小结  62-63
第五章总结  63-64
参考文献  64-69
致谢  69-70
硕士期间发表论文、获奖及主持科研项目情况  70

相场方法研究弹性应力场作用的溶质析出长大过程

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