不同加载条件下位错和溶质原子交互作用的数值模拟-物理学报.PDF

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不同加载条件下位错和溶质原子交互作用的数值模拟-物理学报

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 22 (2014) 228102 不同加载条件下位错和溶质原子交互 作用的数值模拟 何艳生 符师桦 张青川 (中国科学技术大学近代力学系, 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 合肥 230027) ( 2014 年4 月14 日收到; 2014 年7 月7 日收到修改稿) 动态应变时效, 即位错和溶质原子的动态交互作用, 对合金材料的力学性质产生重要影响. 本文基于蒙 特卡罗方法, 建立了“多位错-溶质原子” 二维动力学模型, 分别模拟了单位错-恒定应力率、多位错-无应力、 多位错-恒定应力和多位错-恒定应力率四种条件下位错和溶质原子的演化过程. 单位错-恒定应力率情况下, 低应力率时位错被溶质原子钉扎而无法脱钉, 高应力率时位错未被钉扎而一直运动, 只有在适当应力率范围 内, 位错才呈现出反复的钉扎和脱钉; 多位错-无应力时, 溶质原子向正/负位错的下/上方偏聚; 多位错-恒定 应力时, 位错运动受溶质原子钉扎的影响随应力增大而减小; 多位错-恒定应力率时, 集群化的钉扎和脱钉过 程导致了位错总位移呈现阶梯状的演化. 模拟结果表明: “位错-溶质原子” 尺度上呈现了动态应变时效微观 过程, 与其理论描述相一致. 关键词: 动态应变时效, 动力学模型, 位错运动 PACS: 81.05.Bx, 02.70.uu DOI: 10.7498/aps.63.228102 以及结合DSA 对实验现象进行定性或定量的解 1 引 言 释1416 . 在模拟研究方面大致可归纳为: 1) 位错 转化模型1718 , 考虑不同类型位错之间的转化引 在一定的应变率和温度等条件下, 许多合金在 起的应力变化; 2) 溶质浓度模型1920 , 考虑位错 变形过程中会发生特殊的塑性失稳现象, 表现为 线上溶质原子浓度变化对应力的影响; 3) 综合模 时域上的锯齿形应力流动和空域上的应变局域化, 型2123 , 综合考虑以上两种机制对应力的影响. 也称为Portevin-LeChatelier (PLC) 效应15 . 目 这些模型均能再现锯齿形的应力曲线, 有些还再现 前普遍认为PLC 效应的微观机理是动态应变时效 了空间PLC 带的传播. 然而, 这些模型都是宏观的 (dynamic strain aging, DSA)69 , 即溶质原子和 唯象本构模型, 模拟结果也都是宏观现象, 并未涉 可动位错之间的相互作用. 在可动位错的运动过程 及微观过程. 即便有些模型包含微观元素, 但也是 中, 溶质原子向其扩散并产生额外的钉扎, 引起应 通过宏观参数如位错密度和溶质原子浓度等来体 力上升; 可动位错克服溶质原子的钉扎从而实现脱 现统计的结果, 并未对具体微观过程进行模拟. 由 钉, 引起应力下跌. 这种反复的“钉扎-脱钉” 过程 于实验条件的限制, DSA 的微观过程, 即位错和溶 形成了锯齿形应力曲线. 质原子间的“钉扎-脱钉”, 还未能被直接观察. 若 对于PLC 效应的研究, 实验上主要集中在 能模拟得到其微观过程的图像, 将极大地加深对 应力曲线的分析1011 和空间PLC 带的观察1213 PLC 效应和DSA 的理解和认识. 国家自然科学基金(批准号: 11332

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