金属材料微观缺陷结构演化机理研究

刘佳音

摘要：近些年来，随着我国工业水平的不断提高，各行各业对金属材料的需求量也越来越高，而且非常重视金属材料的性能。经过相关研究发现，金属材料性能与其微观组织缺陷具有直接关系，因此，对金属材料微观缺陷结构演化机理的研究非常重要。鉴于此，文章首先论述了金属材料四种微观缺陷，并对应用相场法研究金属材料微观缺陷演化机理进行了分析，希望能够为研究人员提供一点参考。

关键词：金属材料；微观缺陷；演化机理；相场法

引言

在我国工业生产规模不断加大的背景下，金属材料的应用范围越来越广。不过，金属材料或多或少会存在一些微观缺陷，这对金属材料的使用性能会造成直接的影响。所以，相关研究人员有必要深入研究金属材料微观缺陷特点，并应用相场法来对金属材料微观缺陷结构演化机理进行分析，这对于我国工业发展以及学术理论研究的进步都具有深远意义。

1金属材料微观缺陷的分类

金属材料的微观缺陷是指状态处在非平衡态的晶格缺陷在几何空间中的分布和集合。这些缺陷的存在对金属材料的实际性能和强度以及延展性等都有很大的影响，材料的微观缺陷可以大致划分点缺陷、线缺陷以及面缺陷和体缺陷等四类，下面分别对这四类缺陷进行分析。

1.1点缺陷

点缺陷是指在晶体中所有的三维尺寸均是呈现为原子量级的缺陷。在实际的晶体材料研究中存在的缺陷集中表现在空位、原子等几类。由于材料的原子以及空位与在平衡状态下的浓度和温度有很大的关系，因此也称其为热平衡缺陷。此外还有其他的复杂形态的缺陷诸如空位对、空位片等。在晶体中，点缺陷属于一种热力学缺陷，而且处在一个从产生再到消失的连续运动中，最终还会导致晶格发生畸变。

1.2线缺陷

线缺陷也是金属材料微观缺陷的一种，较为常见的线缺陷就是错位。金属的形变需要错位来实现的，不过错位会对金属材料的强度以及宏观性能造成影响。因此，借助研究材料的微观缺陷结构等相关问题可以实现对金属材料宏观力学行为的研究。

1.3面缺陷

面缺陷是金属材料的一维尺寸在原子数量级而二维尺寸在亚微米或以上的缺陷，其也是金属材料微结构分析中常见的一种微观缺陷，其主要的类型有：晶界、相界、孪晶界以及层错等。这些面缺陷也会对金属材料的物理性能、化学性能以及力学性能产生一定影响，具有代表性的氧化腐蚀反应以及吸附反应就是因面缺陷引起的。

1.4体缺陷

微裂纹普遍存在于金属材料中，是材料中最重要的一种体缺陷。微裂纹的存在大大降低了材料的强度，缩短了构件的使用寿命。在实际的工程应用中，金属疲劳破坏的开始阶段始于其内的微裂纹的萌生和扩展，该阶段是在整个疲劳寿命中占比例最高的阶段。所以为了安全使用材料，必须深入的研究微裂纹的萌生和扩展。

2基于相场法的金属材料微观缺陷结构演化机理研究

相场法是建立在热力学基础上的一种方法，它将有序化和化学驱动力有效的融合在一起，从而建立起一个能够准确的描述系統演化动力学模型的相场方程。相场法的核心思想就是有效引入一个或者是多个场变量，描述界面也不再是传统的尖锐界面，而是被替换成了弥散界面。另外，相场法通过外部场如温度场和溶质场等能量场的耦合作用，实现了宏观和微观上有效结合。在利用相场法进行金属微观缺陷结构演化模拟过程中，不需要追踪界面的具体位置，能够对晶界上出现或者是聚集的第二项问题进行仔细分析和处理，而且考虑综合全面，具有良好的应用效果。

2.1合理选择相变量

第一，要按照相场法的应用要求，对相变量调整过程中的具体方法实施分析研究，使全部的相变量能够结合选取机制的特点进行操作；第二，要按照当前的相变量分析情况，对相变量的具体选择程序实施控制，使所有的相变量能够结合完成的物理因素实施有效的分析，提升相变量控制因素的选取科学性；第三，要按照当前的相变量物理特点，对相变量能够按照金属微观材料特点实施使用进行研究，使微观材料能够在演化的过程中更好的适应相变量的力学特点，使相变量可以通过调整提升金属微观组织的科学性。

2.2正确设计自由能函数

第一，对相场法的各个环节实施科学的划分，为自由能函数的设计预留足够的空间基础；第二，根据现有系统的自由能需求，对系统的主要界面实施科学的处置，保证金属材质微观组织可以在自由能的控制之下实现对电场的适应；第三，结合现阶段的应力场情况，对自由能函数实施磁场因素的准确设置，使磁场的作用可以得到完整的发挥；第四，结合当前系统的实际自由能情况，对系统具备多少场变量实施正确的控制，使全部的自由能可以通过系统的梯度情况进行表示方案的确定，为自由能函数的调整预留足够的空间。

2.3有效结合金属材料特点进行相场法应用

第一，对现有的金属材料进行微观组织缺陷结构的调查，并按照相场法的应用需要，对金属材料的物理模型进行正确的构建，使现相场法可以按照固定的要就对象特点进行研究内容的深入管理；第二，按照固有的物理模型特点，对模型实施金属微观缺陷结构本质的研究，使现有的物理模型可以按照正确的过程对微观缺陷结构进行控制的和操作，使数据参数的设置能够更具科学性；第三，按照现有的计算程序，对技术材料的微观组织缺陷结构实施完整的计算，使相场法的应用能够以基本方程为基础实施推进，保证方程能够对相场法的区域信息实施正确的离散化处置；第四，按照计算机当前具备的模拟程序，对相场法实施演化流程的模拟，以便相场法的使用可以结合金属材料特点进行操作。

总结语

总而言之，金属材料是人类生活与生产的必备基础物质，随着我国工业水平的不断提高，人们对金属材料性能的要求不断提高，而与金属材料性能密切相关的就是其微观组织结构，特别是微观缺陷能够对金属材料性能产生很大影响。所以，相关研究人员务必要加大对金属材料微观缺陷结构演化机理的研究，进而为我国工业发展以及理论研究做出贡献。

参考文献：

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