金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化機(jī)理研究

劉佳音

摘要：近些年來，隨著我國工業(yè)水平的不斷提高，各行各業(yè)對(duì)金屬材料的需求量也越來越高，而且非常重視金屬材料的性能。經(jīng)過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料性能與其微觀組織缺陷具有直接關(guān)系，因此，對(duì)金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化機(jī)理的研究非常重要。鑒于此，文章首先論述了金屬材料四種微觀缺陷，并對(duì)應(yīng)用相場法研究金屬材料微觀缺陷演化機(jī)理進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)檠芯咳藛T提供一點(diǎn)參考。

關(guān)鍵詞：金屬材料；微觀缺陷；演化機(jī)理；相場法

引言

在我國工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷加大的背景下，金屬材料的應(yīng)用范圍越來越廣。不過，金屬材料或多或少會(huì)存在一些微觀缺陷，這對(duì)金屬材料的使用性能會(huì)造成直接的影響。所以，相關(guān)研究人員有必要深入研究金屬材料微觀缺陷特點(diǎn)，并應(yīng)用相場法來對(duì)金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化機(jī)理進(jìn)行分析，這對(duì)于我國工業(yè)發(fā)展以及學(xué)術(shù)理論研究的進(jìn)步都具有深遠(yuǎn)意義。

1金屬材料微觀缺陷的分類

金屬材料的微觀缺陷是指狀態(tài)處在非平衡態(tài)的晶格缺陷在幾何空間中的分布和集合。這些缺陷的存在對(duì)金屬材料的實(shí)際性能和強(qiáng)度以及延展性等都有很大的影響，材料的微觀缺陷可以大致劃分點(diǎn)缺陷、線缺陷以及面缺陷和體缺陷等四類，下面分別對(duì)這四類缺陷進(jìn)行分析。

1.1點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是指在晶體中所有的三維尺寸均是呈現(xiàn)為原子量級(jí)的缺陷。在實(shí)際的晶體材料研究中存在的缺陷集中表現(xiàn)在空位、原子等幾類。由于材料的原子以及空位與在平衡狀態(tài)下的濃度和溫度有很大的關(guān)系，因此也稱其為熱平衡缺陷。此外還有其他的復(fù)雜形態(tài)的缺陷諸如空位對(duì)、空位片等。在晶體中，點(diǎn)缺陷屬于一種熱力學(xué)缺陷，而且處在一個(gè)從產(chǎn)生再到消失的連續(xù)運(yùn)動(dòng)中，最終還會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變。

1.2線缺陷

線缺陷也是金屬材料微觀缺陷的一種，較為常見的線缺陷就是錯(cuò)位。金屬的形變需要錯(cuò)位來實(shí)現(xiàn)的，不過錯(cuò)位會(huì)對(duì)金屬材料的強(qiáng)度以及宏觀性能造成影響。因此，借助研究材料的微觀缺陷結(jié)構(gòu)等相關(guān)問題可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料宏觀力學(xué)行為的研究。

1.3面缺陷

面缺陷是金屬材料的一維尺寸在原子數(shù)量級(jí)而二維尺寸在亞微米或以上的缺陷，其也是金屬材料微結(jié)構(gòu)分析中常見的一種微觀缺陷，其主要的類型有：晶界、相界、孿晶界以及層錯(cuò)等。這些面缺陷也會(huì)對(duì)金屬材料的物理性能、化學(xué)性能以及力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，具有代表性的氧化腐蝕反應(yīng)以及吸附反應(yīng)就是因面缺陷引起的。

1.4體缺陷

微裂紋普遍存在于金屬材料中，是材料中最重要的一種體缺陷。微裂紋的存在大大降低了材料的強(qiáng)度，縮短了構(gòu)件的使用壽命。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，金屬疲勞破壞的開始階段始于其內(nèi)的微裂紋的萌生和擴(kuò)展，該階段是在整個(gè)疲勞壽命中占比例最高的階段。所以為了安全使用材料，必須深入的研究微裂紋的萌生和擴(kuò)展。

2基于相場法的金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化機(jī)理研究

相場法是建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上的一種方法，它將有序化和化學(xué)驅(qū)動(dòng)力有效的融合在一起，從而建立起一個(gè)能夠準(zhǔn)確的描述系統(tǒng)演化動(dòng)力學(xué)模型的相場方程。相場法的核心思想就是有效引入一個(gè)或者是多個(gè)場變量，描述界面也不再是傳統(tǒng)的尖銳界面，而是被替換成了彌散界面。另外，相場法通過外部場如溫度場和溶質(zhì)場等能量場的耦合作用，實(shí)現(xiàn)了宏觀和微觀上有效結(jié)合。在利用相場法進(jìn)行金屬微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化模擬過程中，不需要追蹤界面的具體位置，能夠?qū)Ы缟铣霈F(xiàn)或者是聚集的第二項(xiàng)問題進(jìn)行仔細(xì)分析和處理，而且考慮綜合全面，具有良好的應(yīng)用效果。

2.1合理選擇相變量

第一，要按照相場法的應(yīng)用要求，對(duì)相變量調(diào)整過程中的具體方法實(shí)施分析研究，使全部的相變量能夠結(jié)合選取機(jī)制的特點(diǎn)進(jìn)行操作；第二，要按照當(dāng)前的相變量分析情況，對(duì)相變量的具體選擇程序?qū)嵤┛刂疲顾械南嘧兞磕軌蚪Y(jié)合完成的物理因素實(shí)施有效的分析，提升相變量控制因素的選取科學(xué)性；第三，要按照當(dāng)前的相變量物理特點(diǎn)，對(duì)相變量能夠按照金屬微觀材料特點(diǎn)實(shí)施使用進(jìn)行研究，使微觀材料能夠在演化的過程中更好的適應(yīng)相變量的力學(xué)特點(diǎn)，使相變量可以通過調(diào)整提升金屬微觀組織的科學(xué)性。

2.2正確設(shè)計(jì)自由能函數(shù)

第一，對(duì)相場法的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施科學(xué)的劃分，為自由能函數(shù)的設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的空間基礎(chǔ)；第二，根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)的自由能需求，對(duì)系統(tǒng)的主要界面實(shí)施科學(xué)的處置，保證金屬材質(zhì)微觀組織可以在自由能的控制之下實(shí)現(xiàn)對(duì)電場的適應(yīng)；第三，結(jié)合現(xiàn)階段的應(yīng)力場情況，對(duì)自由能函數(shù)實(shí)施磁場因素的準(zhǔn)確設(shè)置，使磁場的作用可以得到完整的發(fā)揮；第四，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)際自由能情況，對(duì)系統(tǒng)具備多少場變量實(shí)施正確的控制，使全部的自由能可以通過系統(tǒng)的梯度情況進(jìn)行表示方案的確定，為自由能函數(shù)的調(diào)整預(yù)留足夠的空間。

2.3有效結(jié)合金屬材料特點(diǎn)進(jìn)行相場法應(yīng)用

第一，對(duì)現(xiàn)有的金屬材料進(jìn)行微觀組織缺陷結(jié)構(gòu)的調(diào)查，并按照相場法的應(yīng)用需要，對(duì)金屬材料的物理模型進(jìn)行正確的構(gòu)建，使現(xiàn)相場法可以按照固定的要就對(duì)象特點(diǎn)進(jìn)行研究內(nèi)容的深入管理；第二，按照固有的物理模型特點(diǎn)，對(duì)模型實(shí)施金屬微觀缺陷結(jié)構(gòu)本質(zhì)的研究，使現(xiàn)有的物理模型可以按照正確的過程對(duì)微觀缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的和操作，使數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)置能夠更具科學(xué)性；第三，按照現(xiàn)有的計(jì)算程序，對(duì)技術(shù)材料的微觀組織缺陷結(jié)構(gòu)實(shí)施完整的計(jì)算，使相場法的應(yīng)用能夠以基本方程為基礎(chǔ)實(shí)施推進(jìn)，保證方程能夠?qū)ο鄨龇ǖ膮^(qū)域信息實(shí)施正確的離散化處置；第四，按照計(jì)算機(jī)當(dāng)前具備的模擬程序，對(duì)相場法實(shí)施演化流程的模擬，以便相場法的使用可以結(jié)合金屬材料特點(diǎn)進(jìn)行操作。

總結(jié)語

總而言之，金屬材料是人類生活與生產(chǎn)的必備基礎(chǔ)物質(zhì)，隨著我國工業(yè)水平的不斷提高，人們對(duì)金屬材料性能的要求不斷提高，而與金屬材料性能密切相關(guān)的就是其微觀組織結(jié)構(gòu)，特別是微觀缺陷能夠?qū)饘俨牧闲阅墚a(chǎn)生很大影響。所以，相關(guān)研究人員務(wù)必要加大對(duì)金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化機(jī)理的研究，進(jìn)而為我國工業(yè)發(fā)展以及理論研究做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃禮琳.金屬材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化的機(jī)理研究[D].廣西大學(xué)，2017.

[2]范開敏，王學(xué)航，趙娟，趙紅琴.金屬晶體材料中晶界缺陷研究進(jìn)展[J].四川文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，26（05）：44-47.

[3]湯笑之.金屬材料微觀缺陷演化及相互作用的多尺度原子模擬[D].北京交通大學(xué)，2016.