板条马氏体中弹性应变能塑性调节的弹塑性相场研究

Lath martensite is an important constituent phase of high strength steels for its excellent hardness and toughness. The morphology evolution of martensite is characterized by the minimization of elastic strain energy. Although phase field method has been applied to investigate the self-accommodation in twin martensite, there is no research about the plastic accommodation in lath martensite by using phase-field method. Based on this, this project proposed an 3D elastic-plastic phase-field model to investigate the plastic accommodation in lath martensite combining with the PFM theory.The main idea of this model is to describe the total eigen strain by considering the plastic strain, the evolution of which is described by the minimization of elastic stain energy driven by TDGL dynamic equation. The establishment of this model is able to detect the contribution of plastic accommodation to the microstructure evolution of lath martensite and elastic strain energy. It benefits for further study on the formation mechanism of lath martensite and microstructure control. Especially, this project is an innovative research on introducing plastic deformation to accommodate the elastic strain energy with phase field method to simulate the microstructure evolution of lath martensite.

板条马氏体由于具备优越的强韧性而成为高强度钢的重要组成相。马氏体微观组织形态的演化取决于相变过程中弹性应变能的调节方式，尽管已经有利用相场法研究孪晶马氏体中自调节效应的报道，但是关于相场法研究板条马氏体中塑性协调对弹性应变能的影响还鲜有报道。本项目正是基于这一研究空白,利用相场微弹性理论（PFM），引入位错机制对板条马氏体形成过程进行塑性协调，建立三维弹塑性相场模型。主要思路是在计算总体本征应变过程中考虑塑性应变，该应变通过弹性应变能的时间响应TDGL动力学方程描述。该模型的建立能够考察塑性协调对板条马氏体微观组织形态以及弹性应变能的影响。这对于更深层次地认识和理解板条马氏体形成机制以及微观组织控制方面具有重要意义，尤其是将塑性协调引入相场法中模拟板条马氏体微观组织演化的设想，在板条马氏体理论研究方面具有创新性。

锆合金作为核电站常用材料在使用过程中极易与空气中的氢气形成某种氢化物造成合金的失效。氢化物断裂的临界条件被认为与合金中氢化物分布的形态和微结构有关。因此研究锆合金中氢化物及其周围缺陷微观组织演化情况对于提高锆合金使用性能至关重要。由于核辐照实验成本巨大，因此利用介观相场模拟的方法以基本的热力学、力学和动力学信息作为输入，不需要追踪相界面位置就能预测任意形态和复杂的微结构的演化成为一种流行的研究手段。本项目旨在利用现有的弹塑性相场模型，并对其进行改造和修正，从而模拟真实环境中锆合金中氢化物微观形貌的演化并揭示其形变断裂机制。模拟结果显示锆合金中氢化物倾向于沿着微裂纹两端、垂直于加载方向形核生长，并且在反复的温度循环过程中氢化物数量和平均浓度不断增大，直至饱和，导致锆合金的疲劳断裂。该结果对于指导实验中如何设计延长核辐照材料的使用寿命具有重要理论意义。同时，我们利用第一性原理计算方法考察了Hg，Pd，Pb，Sn，Si，Zn，Zr，W八种掺杂元素对于钛合金广义层错能的影响，从而讨论掺杂元素对于其机械性能的影响。计算结果表明Ti-W体系无论对于基面掺杂还是柱面掺杂都能够在保持原有钛合金较高强度的同时，使其延展性得到提高。并且从微观角度揭示了该影响的本质是由于掺杂元素的加入使得其周围电荷密度明显提高，减弱了原有Ti-Ti原子之间的交互作用，导致层错能减小。该研究结果从微观角度揭示了不同掺杂元素对于钛合金机械性能的影响，对于钛合金材料设计提供了理论支撑和依据。最后，我们利用CALYPSO计算软件预测了一种新型五边形二维结构SiP2，并通过第一性原理计算确定了该结构的热力学和动力学稳定性。计算结果表明SiP2是一个具有2.86eV准直接带隙的半导体，并且在外立场作用下带隙可调。该性质使其在半导体器件设计制造中有较好的应用前景，同时为其它新型二维材料的设计和开发提供了一条新路径。