共晶耦合生长层片结构稳定性及断层缺陷控制

The main issue faced in the developing of advanced eutectic alloys is the precise controlling of lamellar stability and lamellar faults during eutectic coupled growth and thus the eutectic structures. The key of this issue is a deep understanding of the growth mechanism and controlling factors of eutectic coupled growth at atomic scales. In the present project, by using the phase field crystal model, from the aspects of atomic stacking, local structures and unit morphologies, we will systemically investigate the process, mechanism and dynamics of eutectic coupled growth at the atomic spatial scale and diffusion time scale with the emphasis on the controlling of lamellar stability and lamellar faults. We will try to disclose the correlation between the coupled growth and the feature of eutectic phases, including crystal structures, lattice parameters, orientation relations, elastic constants, diffusion mobility, interface energy and its anisotropy. The research will also determine effects of the feature difference between the eutectic phases on the lamellar stability and lamellar faults, build the criteria of coupled-decoupled growth including growth conditions, external loading conditions and feature difference between eutectic phases, clarify the formation and development mechanism of lamellar fault, and find the effective way of controlling lamellar stability and lamellar faults during eutectic coupled growth. The results will not only deepen the understanding of eutectic coupled growth and thus the development of modern solidification theory, but also benefit the tuning of solidification process and the developing of advanced eutectic materials with idea microstructures.

控制共晶耦合生长层片结构稳定性及断层缺陷进而调控共晶凝固组织是当前先进共晶材料发展面临的重要问题，深刻揭示原子尺度上的共晶耦合生长机制及其控制因素是解决这一问题的关键。本项目拟借助于晶体相场模型，在原子空间尺度及扩散时间尺度上，从原子堆垛、局部结构及整体形貌三个层次，以共晶耦合生长层片结构稳定性及断层缺陷控制为切入点，系统研究共晶耦合生长过程、机制及动力学规律。揭示晶体结构、晶格常数、位向关系、弹性常数、原子扩散能力、界面能及其各向异性等共晶两相特性与耦合生长的关联，确定共晶两相特性差异对层片结构稳定性及断层缺陷的影响规律，建立包括生长条件、外加载荷及两相特性差异等在内的层片结构失稳临界条件，阐明层片断层缺陷的形成及发展规律，提出有效控制层片结构稳定性及断层缺陷的思路与方法。研究结果无论是对深刻理解共晶耦合生长促进现代凝固理论发展，还是对调控共晶凝固过程构筑先进共晶材料组织均具有重要意义。

深刻揭示原子尺度上的共晶耦合生长机制及其控制因素是调控共晶凝固组织进而发展先进共晶材料的关键。本项目基于双模近似建立了可反映晶体结构、生长条件、生长形态及晶体缺陷的二元共晶凝固晶体相场模型，成功实现了二元规则共晶及反常共晶凝固过程的数值模拟。在原子空间尺度及扩散时间尺度上，从原子堆垛、局部结构及整体形貌三个层次，以共晶耦合生长层片结构稳定性及断层缺陷控制为切入点，系统研究了共晶耦合生长过程、机制及动力学规律。首先，计算了基于晶体相场模型的包含亚稳相的共晶合金相图，研究了不同温度条件下共晶合金的凝固过程，揭示晶体结构、晶格常数、位向关系等共晶两相特性与耦合生长的关联。其次，建立了描述共晶成分附近耦合共晶形核机制的物理模型，从形核角度揭示了共晶脱耦生长机制，发现两相形核能力的差异可能是两相脱耦生长的控制因素，确定共晶两相特性差异对层片结构稳定性及断层缺陷的影响规律，获得了初始成分对共晶凝固第二相形核路径的影响规律，通过分析共晶形核原子路径、成分场演化等物理过程，揭示了耦合共晶形核机制，阐明了界面调幅分解在共晶形核中的作用机制。研究了过共晶成分两相形核过程，考察了第二相形核路径，阐明了第二相形核路径差异的物理机制，揭示了大过冷条件下反常共晶两相脱耦生长过程及机制，阐明了反常共晶形成机制。模拟了不同条件下的层片共晶定向生长及失稳过程，发现纳米共晶层片稳定性依然定性符合Jackson-Hunt模型，考察了不同条件下的共晶层片失稳过程，分析了其失稳机理，发现原子尺度下层片失稳与晶体缺陷演化密切相关。研究结果无论是对深刻理解共晶耦合生长促进现代凝固理论发展，还是对调控共晶凝固过程构筑先进共晶材料组织均具有重要意义。