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金属纳米晶热稳定性的定量化可视化仿真与实验研究

韩清超  
【摘要】: 纳米材料具备一系列优异的结构和功能特性,然而,一旦纳米晶组织发生失稳而使晶粒长大为亚微米甚至微米级的粗晶组织,纳米材料的特殊性能将显著减弱或消失。因此,研究纳米晶材料的稳定性和纳米晶粒长大特性对保持纳米尺度显微组织及其优异性能具有十分重要的科学意义和实用价值。 本文从计算机仿真和实验两个方面系统研究了纳米晶粒组织演变及纳米晶粒长大动力学规律。 根据纳米多晶体材料的结构特性,将纳米晶块体按照纳米晶界和晶内的空间结构,匹配到构成模拟区域的大量原子尺度的元胞自动机(CA)单位元胞上,由此实现纳米多晶体材料的模型化与可视化。将本研究组建立的纳米晶热力学理论模型中的函数关系引入CA仿真算法,赋予各不同性质的元胞以特定的热力学能量状态。由上述处理建立了金属纳米晶热力学/CA算法相耦合的应用实参数的定量化、可视化计算机仿真模型,以之模拟研究纳米晶材料的热稳定性及其演变规律。 利用金属纳米晶热力学/CA算法耦合模型模拟研究了金属Co纳米晶等温和变温晶粒长大过程。直观地显现了纳米晶显微组织的演变行为尤其是晶界的局部迁移过程,并获得了纳米晶界原子分数随晶粒尺寸的变化关系。等温晶粒长大模拟结果表明纳米晶粒长大指数n不是常数(传统粗晶材料的晶粒长大指数为常数n=2),而是随着纳米晶粒长大过程的进行逐渐增大。Co纳米晶变温晶粒长大的模拟研究表明,在一定的中间温度区域,纳米晶具有突发的快速长大速率,而在较低和较高温度区间晶粒长大速率均较缓。 利用高能球磨结合放电等离子烧结技术制备出了Cu纳米晶块体材料,并设计了系列实验研究Cu纳米晶块体的晶粒长大行为。首先,在全面分析高能球磨工艺各影响因素的基础上,确定了最佳球磨参数,制备出了平均晶粒尺寸约30nm的金属Cu纳米晶粉末。利用放电等离子烧结技术将球磨粉末在157KN (500MPa)轴向压力、350℃烧结温度下制备获得了致密的Cu纳米晶块体材料。对制备的Cu纳米晶块体进行变温晶粒长大的实验研究发现,在一个中间温度区间(300℃~500℃)纳米晶粒发生不连续快速长大。结合X射线衍射、扫描电镜和透射电镜的观测与分析,确定制备的Cu纳米晶块体发生不连续晶粒长大的临界温度约为400℃。基于本研究组在纳米材料热力学方面的已有工作,分析了纳米晶界过剩自由能对纳米晶粒组织热稳定性的影响,指出了纳米晶粒尺寸和温度等因素可能导致金属纳米晶材料发生不连续快速晶粒长大的内在机制。 本文所建立的金属纳米晶热力学/CA算法耦合模型,不仅可以可视化地显示纳米晶组织的演变,而且可以定量化地预测纳米晶粒长大的动力学。该仿真模型为研究纳米晶材料热稳定性和晶粒长大特性提供了一种快捷有效的手段。本文研究获得的纳米晶组织等温和变温晶粒长大的动力学规律,对保持纳米晶材料的热稳定性以及纳米材料的优异性能具有重要的指导意义和使用价值。


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