[论文解读] A unified theory of grain growth in polycrystalline materials

Jianfeng Hu, Xianhao Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2018

Microstructure and mechanical properties参考文献 61被引用 3

一句话总结

本文提出了一套统一的非线性理论模型，用于描述多晶材料中的晶粒生长，通过重新定义晶界迁移与毛细驱动力之间的关系，解释了正常、异常和停滞晶粒生长行为。该模型表明，经典线性关系仅为特例，且来自SrTiO3的实验数据验证了其在预测微观结构演化方面的有效性。

ABSTRACT

Grain growth is a ubiquitous and fundamental phenomenon observed in the cellular structures with the grain assembly separated by a network of grain boundaries, including metals and ceramics. However, the underlying mechanism of grain growth has remained ambiguous for more than 60 years. The models for grain growth, based on the classically linear relationship between the grain boundary migration and capillary driving force, generally predict normal grain growth. Quantitative model for abnormal grain growth is lacking despite decades of efforts. Here, we present a unified model to reveal quantitatively how grain growth evolves, which predicts the normal, abnormal and stagnant behaviors of grain growth in polycrystalline materials. Our model indicates that the relationship between grain boundary migration and capillary driving force is generally nonlinear, but will switch to be the classically linear relationship in a specific case. Furthermore, the grain growth experiments observed in polycrystalline SrTiO3 demonstrates the validity of the unified model. Our study provides a unified, quantitative model to understand and predict grain growth in polycrystalline materials, and thus offers helpful guides for the microstructural design to optimize the properties of polycrystalline materials.

研究动机与目标

• 解决过去60年来多晶材料中晶粒生长机制长期存在的模糊性问题。
• 解决尽管经过数十年研究，异常晶粒生长仍缺乏定量模型的问题。
• 建立一个统一框架，以预测多晶系统中正常、异常和停滞晶粒生长行为。
• 确立晶界迁移与毛细驱动力之间非线性关系作为基本机制，经典线性模型作为其极限情况。

提出的方法

• 推导晶界迁移速度与毛细驱动力之间非线性本构关系，取代经典线性假设。
• 在多晶网络中引入晶界几何与能量约束，以模拟集体行为。
• 采用广义迁移率函数，捕捉不同生长模式（正常、异常、停滞）之间的过渡。
• 利用控制条件下测量的多晶SrTiO3实验数据验证模型。
• 通过数值模拟在不同边界迁移率和曲率条件下晶粒生长动力学，展示模式转变。
• 分析非线性模型退化为经典线性关系的临界条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 多晶材料中晶界迁移与毛细驱动力之间的真正关系是什么？
• RQ2 为何尽管研究广泛，异常晶粒生长的定量预测仍长期难以实现？
• RQ3 经典线性晶粒生长模型在何种条件下可作为更一般非线性框架的特例出现？
• RQ4 如何通过单一理论模型解释正常、异常和停滞晶粒生长模式的共存？
• RQ5 有何实验证据支持所提出的非线性统一晶粒生长理论？

主要发现

• 晶界迁移与毛细驱动力之间的关系本质上是非线性的，经典线性模型仅为特定极限情况。
• 统一模型能基于材料特异性边界迁移率和曲率条件，成功预测正常、异常和停滞晶粒生长模式的出现。
• 多晶SrTiO3的实验数据与模型预测高度一致，证实其在不同生长行为下的有效性。
• 该模型识别出决定不同生长模式之间转变的关键迁移率与曲率阈值。
• 非线性公式解决了晶粒生长理论中长期存在的不一致性，并为材料工程中的微观结构设计提供了定量基础。