多晶材料烧结过程中晶粒组织演化规律的数值模拟研究

• 作 者: 张鹏
• 出 处: 西安科技大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 多晶材料 相场法 晶粒长大 组织演化 第二相颗粒 Zener钉扎

材料的力学、电学、磁学等性能,不仅与其化学组成相关,还取决于材料内部的微结构分布特征。通过优化、设计微结构,可以大大提高材料的性能。晶粒长大及组织演化等晶粒生长现象对材料性能有重要的影响,系统地研究多晶材料晶粒长大过程及其动力学对材料组织演化规律、材料性能预测有重要的理论和工程意义。本论文基于材料热力学与相变动力学,推导了多孔多晶陶瓷材料烧结过程的相场模型;基于数值模拟,研究了不同形状的第二相颗粒对多晶晶粒长大的钉扎效应和生长动力学过程的影响;考虑到烧结过程中孔隙的扩散,研究了多孔陶瓷烧结过程中的孔隙变形和晶界迁移过程,分析总结了多晶材料中晶粒组织的演变动力学规律,为深入理解多晶材料的微观组织演化过程和多晶材料的微观组织设计奠定了基础。(1)采用相场法,模拟了不同形状、体积分数的硬质颗粒嵌入多晶材料中的晶粒组织形态的演变过程。结果表明,在晶粒组织生长过程中,椭圆颗粒对晶粒生长有较好的延缓作用;与单向椭圆颗粒相比,双向椭圆颗粒对晶界钉扎作用更大,钉扎效率更高。单向长条颗粒和双向长条颗粒的钉扎效果最好,形成的晶粒组织更细小,平均晶粒半径更小;当长条颗粒位于晶界且方向与晶界方向一致时,系统的晶界面积减少最多,系统界面能最小,这符合系统的演化趋势。对于所有类型的颗粒,随着体积分数的增加,颗粒的钉扎效应都增强。(2)基于相变动力学,从Zener理论出发,分析了不同形状的第二相硬质颗粒对晶界钉扎力影响的差异,确定了晶粒尺寸与硬质颗粒形状、含量之间的关系;基于Zener关系,分析和讨论了硬质颗粒形状对晶粒尺寸的影响,并计算了不同形状第二相硬质相颗粒引起钉扎力的大小。根据计算钉扎力的大小,解释了第二相硬质相颗粒的形状对晶粒生长钉扎效率的影响。结果表明,临界晶粒尺寸估计值(K,b)与颗粒的形状高度相关。钉扎效应主要取决于颗粒与晶界的相互作用,并且颗粒的形状导致颗粒与晶界之间不同的接触方式,从而对晶界迁移产生不同的钉扎作用力。(3)考虑到烧结过程中孔隙的扩散,利用相场法研究了多孔陶瓷烧结过程中的孔隙变形和晶界迁移现象,模拟了不同形状、尺寸、气孔率的孔隙与晶界的相互作用及其对微结构形成的影响。结果表明,孔隙—晶粒微结构是由其接触方式决定,接触方式与孔隙大小和形状密切相关。晶界迁移和孔隙变形的大小取决于晶粒与孔隙界面的钉扎力的大小。晶界微孔会随着烧结而收缩,导致微孔终止于晶界的结合处。在烧结过程中,孔隙的存在将导致孔表面附近晶粒的粗化增强,并且晶粒的生长也显著地改变了孔隙的形状,导致不规则的多边形孔隙被相对较大的晶粒包围。相交于大孔隙表面的晶界往往与孔隙表面垂直,这是由取向相关的晶界扭曲造成的。