计算机在材料科学中的应用-绪论 第一章.pptVIP

再结晶过程的形核与晶粒长大 半个多世纪以来无数科研工作者致力于弄清再结晶过程中晶体取向分布的变化规律，发展了两种理论，即定向形核理论与选择性生长理论 。 定向形核理论认为，再结晶的开始阶段，形变基体内部会出现某种由回复造成的低密度位错缺陷的亚结构，这种无应变的亚结构通过合并、粗化形成尺寸较大的亚晶，并成为潜在的再结晶晶核。 选择性生长理论认为，再结晶晶核在形变基体上随机形核，晶粒长大依赖于晶体取向，即具有特定取向的晶粒有利于晶界迁移，只有那些生长速率大的晶核快速生长，退火再结晶织构由快速生长的晶核取向来决定。 再结晶形核与长大 再结晶研究难点: 核心的来源？如何长大？ 源于不能直接观察核心，光学显微镜: 分辨率低，不能确定位向；电镜: 视野小，很难观察到核心，结果没有统计意义； X射线衍射极图法: 形变金属—再结晶组织；形变金属内部，晶粒内部取向不均匀性；择优形成，低能区的存在(低密度位错)；核心尺寸: Al中, 完全回复的亚晶充当，尺寸必须大于周围的亚晶，应满足热力学(热激活)，运动学条件(部分高角度晶界)。再结晶形核完成以后长大速度非常快难以跟踪、描述。 已知有关核心的实验事实 1) 晶核择优形成地点: 局部高形变区，如晶界、形变带、夹杂物附近、孪晶交割处、自由表面； 2) 随着超过某一临界值的应变的增加，形核率急剧增加；再结晶不仅与应变量大小有关，还与应变类型有关； 3) 核心的位向与形变区域的位向间有一统计联系；如果形变度合适，则在形变区内可以形核； 4) 晶核不可能向位向相同或者相近的基体/核心中生长； 5) 再结晶核心的最小尺寸是1-3微米；大角度界面/核心； 6) 微量的可溶性杂质以及高度弥散的不溶性夹杂物显著影响核心的形成与生长，甚至提高再结晶温度，多达几百度。 形核模型，必须能解释上述的实验事实。 再结晶核心形成模型 1）起伏理论: 经典形核模型，原子尺度的晶核出现于最大畸变的晶格区内；认为核心是非晶态，由热起伏获得能量得以生长至临界尺寸。 2) 形变结构局部多边化区域生长模型: 核心的形成与位错重组而引起的多边化过程有关；晶格中存在着彼此倾斜一定角度的无畸变或者轻微畸变区，区域尺寸大而畸变小的区可以作为核心；核心生长时区域内为应变将消除，核心与环境间的取向差将增加；核心孕育期包括完成多边化的时间及小角界面运动吸收新位错转化为大角可动界面的时间。 3) 亚晶合并模型: 核心的形成是由亚晶合并提供的。形变金属中，晶粒内众多的亚晶，其中取向差小的其亚晶界中的位错可以通过滑移和攀移逐渐消散，而使亚晶得到合并。显然，亚晶合并后需要重新取向获得大角界面，晶核才可继续生长。 4) 应变诱发晶界迁移 (SIBM)模型: 材料经过轻微的变形后加热时，某些原始的晶粒靠局部的大角界面迁移消耗掉邻近晶粒而长大，或者，形变的晶粒内的亚晶向近邻生长而出现一部分可以充当核心的凸出部分。凸出部分的取向和原始晶粒一致，但不含位错。驱动力: 由变形不均匀引起的界面两侧局部的体积能差。 5) 其他的模型: 切变模型: 通过切变产生晶核； 孪晶机制: 底层错能金属回复时先在产生细小的孪晶上形成核心，然后再通过SIBM机制长大；滑移机制等； 再结晶研究的现状 1) 研究多，了解少； 2) 各种模型只能解释特定的材料甚至特定的过程； 3) 金属材料内部的复杂性； 4) 综合研究: 形变后的缺陷组态、热激活、界面与溶质原子的相互作用、界面物理、界面热力学等； 5）定向形核与选择生长模型还没有确切的实验证据。 再结晶组织、织构的模拟 Monte-Carlo 方法 80年代初，美国人Anderson等提出的； 将实际的金属看成是由数字表示的点，不同的数字表示晶粒的取向，数字相同的表示是同一个取向，相同数字相邻的表示同一个晶粒。晶界的移动看成是数字向其他的数字转变，能否转变则要靠满足能量几率判断。 晶体取向的描述 在模拟中可以将空间取向分为n个，并且不同的取向采用不同的数值。 再结晶晶粒核心的形成模拟 再结晶核心的形核位置与形核取向的判断依据：以能量降低为根本原则。 能量主要包括：晶界能和储存能。 形变储能：材料在形变过程中由于弹性变形而存储的能量。形变温度、形变量、变形抗力、变形速率等都影响形变储能。 晶界能：晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化。它等于界面区单位面积的能量减去无界面时该区单位面积