金屬材料微觀缺陷結構演化機理研究

劉佳音

摘要：近些年來，隨著我國工業水平的不斷提高，各行各業對金屬材料的需求量也越來越高，而且非常重視金屬材料的性能。經過相關研究發現，金屬材料性能與其微觀組織缺陷具有直接關系，因此，對金屬材料微觀缺陷結構演化機理的研究非常重要。鑒于此，文章首先論述了金屬材料四種微觀缺陷，并對應用相場法研究金屬材料微觀缺陷演化機理進行了分析，希望能夠為研究人員提供一點參考。

關鍵詞：金屬材料；微觀缺陷；演化機理；相場法

引言

在我國工業生產規模不斷加大的背景下，金屬材料的應用范圍越來越廣。不過，金屬材料或多或少會存在一些微觀缺陷，這對金屬材料的使用性能會造成直接的影響。所以，相關研究人員有必要深入研究金屬材料微觀缺陷特點，并應用相場法來對金屬材料微觀缺陷結構演化機理進行分析，這對于我國工業發展以及學術理論研究的進步都具有深遠意義。

1金屬材料微觀缺陷的分類

金屬材料的微觀缺陷是指狀態處在非平衡態的晶格缺陷在幾何空間中的分布和集合。這些缺陷的存在對金屬材料的實際性能和強度以及延展性等都有很大的影響，材料的微觀缺陷可以大致劃分點缺陷、線缺陷以及面缺陷和體缺陷等四類，下面分別對這四類缺陷進行分析。

1.1點缺陷

點缺陷是指在晶體中所有的三維尺寸均是呈現為原子量級的缺陷。在實際的晶體材料研究中存在的缺陷集中表現在空位、原子等幾類。由于材料的原子以及空位與在平衡狀態下的濃度和溫度有很大的關系，因此也稱其為熱平衡缺陷。此外還有其他的復雜形態的缺陷諸如空位對、空位片等。在晶體中，點缺陷屬于一種熱力學缺陷，而且處在一個從產生再到消失的連續運動中，最終還會導致晶格發生畸變。

1.2線缺陷

線缺陷也是金屬材料微觀缺陷的一種，較為常見的線缺陷就是錯位。金屬的形變需要錯位來實現的，不過錯位會對金屬材料的強度以及宏觀性能造成影響。因此，借助研究材料的微觀缺陷結構等相關問題可以實現對金屬材料宏觀力學行為的研究。

1.3面缺陷

面缺陷是金屬材料的一維尺寸在原子數量級而二維尺寸在亞微米或以上的缺陷，其也是金屬材料微結構分析中常見的一種微觀缺陷，其主要的類型有：晶界、相界、孿晶界以及層錯等。這些面缺陷也會對金屬材料的物理性能、化學性能以及力學性能產生一定影響，具有代表性的氧化腐蝕反應以及吸附反應就是因面缺陷引起的。

1.4體缺陷

微裂紋普遍存在于金屬材料中，是材料中最重要的一種體缺陷。微裂紋的存在大大降低了材料的強度，縮短了構件的使用壽命。在實際的工程應用中，金屬疲勞破壞的開始階段始于其內的微裂紋的萌生和擴展，該階段是在整個疲勞壽命中占比例最高的階段。所以為了安全使用材料，必須深入的研究微裂紋的萌生和擴展。

2基于相場法的金屬材料微觀缺陷結構演化機理研究

相場法是建立在熱力學基礎上的一種方法，它將有序化和化學驅動力有效的融合在一起，從而建立起一個能夠準確的描述系統演化動力學模型的相場方程。相場法的核心思想就是有效引入一個或者是多個場變量，描述界面也不再是傳統的尖銳界面，而是被替換成了彌散界面。另外，相場法通過外部場如溫度場和溶質場等能量場的耦合作用，實現了宏觀和微觀上有效結合。在利用相場法進行金屬微觀缺陷結構演化模擬過程中，不需要追蹤界面的具體位置，能夠對晶界上出現或者是聚集的第二項問題進行仔細分析和處理，而且考慮綜合全面，具有良好的應用效果。

2.1合理選擇相變量

第一，要按照相場法的應用要求，對相變量調整過程中的具體方法實施分析研究，使全部的相變量能夠結合選取機制的特點進行操作；第二，要按照當前的相變量分析情況，對相變量的具體選擇程序實施控制，使所有的相變量能夠結合完成的物理因素實施有效的分析，提升相變量控制因素的選取科學性；第三，要按照當前的相變量物理特點，對相變量能夠按照金屬微觀材料特點實施使用進行研究，使微觀材料能夠在演化的過程中更好的適應相變量的力學特點，使相變量可以通過調整提升金屬微觀組織的科學性。

2.2正確設計自由能函數

第一，對相場法的各個環節實施科學的劃分，為自由能函數的設計預留足夠的空間基礎；第二，根據現有系統的自由能需求，對系統的主要界面實施科學的處置，保證金屬材質微觀組織可以在自由能的控制之下實現對電場的適應；第三，結合現階段的應力場情況，對自由能函數實施磁場因素的準確設置，使磁場的作用可以得到完整的發揮；第四，結合當前系統的實際自由能情況，對系統具備多少場變量實施正確的控制，使全部的自由能可以通過系統的梯度情況進行表示方案的確定，為自由能函數的調整預留足夠的空間。

2.3有效結合金屬材料特點進行相場法應用

第一，對現有的金屬材料進行微觀組織缺陷結構的調查，并按照相場法的應用需要，對金屬材料的物理模型進行正確的構建，使現相場法可以按照固定的要就對象特點進行研究內容的深入管理；第二，按照固有的物理模型特點，對模型實施金屬微觀缺陷結構本質的研究，使現有的物理模型可以按照正確的過程對微觀缺陷結構進行控制的和操作，使數據參數的設置能夠更具科學性；第三，按照現有的計算程序，對技術材料的微觀組織缺陷結構實施完整的計算，使相場法的應用能夠以基本方程為基礎實施推進，保證方程能夠對相場法的區域信息實施正確的離散化處置；第四，按照計算機當前具備的模擬程序，對相場法實施演化流程的模擬，以便相場法的使用可以結合金屬材料特點進行操作。

總結語

總而言之，金屬材料是人類生活與生產的必備基礎物質，隨著我國工業水平的不斷提高，人們對金屬材料性能的要求不斷提高，而與金屬材料性能密切相關的就是其微觀組織結構，特別是微觀缺陷能夠對金屬材料性能產生很大影響。所以，相關研究人員務必要加大對金屬材料微觀缺陷結構演化機理的研究，進而為我國工業發展以及理論研究做出貢獻。

參考文獻：

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