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碳和金属材料相变及微观缺陷演化的原子模拟研究
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2017
  • 中图分类:
    TQ127.11
  • 关键词:
  • 成果简介:
    该项目属于材料科学基础领域。 石墨和金刚石是碳在自然界中存在的两种基本的形式,如何用储量丰富的石墨通过相变转变成昂贵的金刚石是人们梦寐以求的目标之一,因此有必要从微观层次研究该相变的路径,为实验及工业合成提供理论指导。研发高强高韧的金属及其合金是金属结构材料领域所追求的永恒主题和面临的共性关键问题。金属材料的强度和韧性由材料内部的位错、孪晶、晶界、微裂纹等微观缺陷的形核、运动以及相互作用决定。因此研究金属材料内部微观缺陷的起源、运动、相互作用及其对材料力学性能的影响就成为进一步研发高强高韧金属材料的先决条件。基于以上考虑,该项目用分子动力学模拟方法对石墨-金刚石相变的微观机制、金属材料中微观缺陷的形核,运动、相互作用规律进行了模拟研究;发现了石墨-金刚石相变以及金属微观缺陷运动的新规律和新机制,为金刚石的人工合成及提高金属材料的强韧化水平提供了理论依据与新思路。主要发现点如下: 1.提出了冲击条件下石墨转变成立方金刚石的“波浪弯曲-滑移”机制。发现在受压条件下石墨层的面间距是影响其相变的一个决定性因素。当石墨层面间距大约为0.24nm时,转变成单晶立方金刚石;当0.208nm时转变成六角金刚石;为其它值时将转变成多晶立方金刚石。2016年第7期Nature Communication发表的由美国Slac国家加速器实验室、劳伦斯利福摩尔国家实验室、加州大学伯克利分校物理系以及牛津大学物理系等单位合作完成的激光驱动冲击压缩石墨-金刚石相变实验一文中,主要引用该机制解释六角金刚石的形成机制问题。 2.发现了镍基高温合金中裂纹尖端形成孪晶时的裂纹方位依赖性,即对于张开型裂纹,如果裂纹面位于(110)或(111)晶面则会在裂尖产生孪晶,如果裂纹面位于(100)晶面,则会在裂尖产生位错滑移,不形成孪晶;并提出该现象起源于(111)密排晶面上原子排布的不对称性。发现了镍基合金中刃位错运动的Kink机制以及刃位错立方滑移时的Lock-unlock机制,并给出了位错增值的一种新机制。 3.提出增强超细晶粒纤维钢冲击断裂韧性的晶界滑移钝化裂纹模型,发现超细晶粒纤维钢中的{001}/{110}及{110}/{111}两种类型晶界滑移会引起扩展到该处的裂纹尖端钝化,有效阻碍裂纹穿晶扩展,从而增加裂纹沿晶扩展的几率,使超细晶粒纤维钢整体成分层断裂状态,有效提高其冲击断裂韧性。 该项目在Scientific reports、Appl. Phys. Lett等著名期刊上发表的8篇代表作被SCI他引57次,谷歌学术检索他引102次。
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