高体积分数粗化过程中晶粒旋转及生长停滞的原子机制

Most of current coarsening theories use the mean field method to describe the grain, and haven’t took the microstructure evolution behaviors that relate to the materials’ atomic characteristics into consideration, such as, the grain boundary migration, grain rotation, growth stagnation et al.. All these result in current theories can’t describe the coarsening process of crystalline materials with high volume fractions. Previous investigations shown that grain rotation is one of the most important mechanisms of grain growth during coarsening, and the grain rotation dynamics influences the exponent of coarsening models. The grain growth stagnation has significant effect on the coarsening rate constant, and is very crucial for the control of coarsening process. However, the kinetic and thermodynamic mechanisms of grain rotation and growth stagnation are still unrevealed. In this proposal, by using the Phase Field Crystal model, we will investigate the mechanisms of grain rotation and growth stagnation during coarsening on the atomic and Nano scales for high volume fractions. The influence of lattice structure, grain boundary, interfacial energy and the anisotropy of interface et al. on the coarsening mechanisms of concentration diffusion, grain boundary migration and grain rotation will be investigated. The existence conditions and mechanisms of grain growth stagnation will be revealed, and the method to control the progress of coarsening will be proposed. The completion of this project will not only deepen the understanding of coarsening mechanism, but also benefit the refining of the microstructure of materials.

当前粗化理论大多采用平均场的概念来处理粗化晶粒，而没有考虑诸如晶界迁移、晶粒旋转、生长停滞等与材料原子尺度特征密切相关的组织演化机制，导致其不能有效描述高体积分数下晶体材料的粗化过程。其中，晶粒旋转合并是高体积分数粗化中的一种重要晶粒长大机制，其动力学直接影响粗化指数，而生长停滞效应不仅影响粗化速率常数还对粗化进程控制至关重要。然而，二者的动力学规律及热力学机制远未揭示。本项目将采用晶体相场模型，以高体积分数粗化中的晶粒旋转与生长停滞现象为研究对象，系统研究原子及纳观尺度上晶粒的粗化机制。揭示晶体结构、晶界结构、界面能及其各向异性等材料晶体学特性与原子扩散、晶界迁移及晶粒旋转机制间的关联，阐明生长停滞的出现条件及机制，提出有效控制粗化进程的方法。研究结果无论对深入理解粗化机制，还是对材料微观组织调控均具有重要意义。

当前粗化理论没有考虑晶粒的晶界结构、晶体学取向、晶体结构等原子尺度特征对晶粒长大过程的影响，导致其不能有效描述高体积分数条件下晶体材料的粗化过程。在原子尺度上深刻揭示晶粒的粗化机制及其控制因素不仅对发展相变理论具有重要意义，还为材料微观组织调控提供重要依据。本项目基于经典密度泛函理论建立了可反应凝固形核、竞争生长及晶界运动的晶体相场模型，基于朗道相变理论建立了能够描述增强相颗粒界面反应及团聚粗化过程的相场模型。针对粗化过程中的晶粒旋转及生长停滞现象，在原子及纳观尺度上系统研究了高体积分数条件下纳米颗粒粗化动力学机制及规律。模拟了不同固相体积分数及不同粒径分布条件下的多晶粗化过程，发现低固相体积分数下晶粒粗化过动力学符合经典LSW理论，而高体积分数条件下的粗化过程由于涉及到晶粒旋转、晶界扩散机制而与经典理论存在较大偏差。统计了多晶粗化过程晶粒旋转动力学规律，发现随着固相体积分数增大晶粒旋转速度先增大后减小，同时随着固相体积分数增大晶粒对间的取向差减小的比例降低，晶粒旋转速度及最大旋转角度均随着近邻晶粒数目增多而降低。系统研究了界面能、初始角度、晶粒尺寸等对晶粒旋转动力学的影响，发现晶粒旋转速度随着初始取向差的增大表现为先增大后减小，随着界面能的增大而增大；通过统计不同晶粒尺寸条件下的双晶演化过程，发现晶粒旋转速度随着晶粒半径的增大而降低，当两晶粒尺寸相差不大时粗化受晶粒旋转过程控制，反之则受表面扩散过程控制。模拟了外势基底存在时的多晶粗化过程，发现粗化速率随着外势强度增大而增大，而随着基底与晶粒间错配度的增大而减小；分析了基底存在时反常粗化机制，提出晶粒与基底构型稳定性是粗化动力学过程的主要控制因素。研究结果无论对深入理解粗化机制，还是对材料微观组织调控均具有重要意义。