金属学报

作者：申文龙, 廖宇轩, 吴学志, 姜彦博, 柳文波

单位：1.西安交通大学 核科学与技术学院 西安 710049；2.中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所 北京 102413；3.西安交通大学 陕西省先进核能技术重点实验室 西安 710049

关键词：相场模拟,晶界沟槽,表面,晶粒生长,扩散,

基金：国家自然科学基金面上项目(12375258);中国博士后科学基金项目(2019M663738);清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室项目(KF201713);中国核工业集团有限公司领创科研项目

材料表面形成的晶界沟槽会影响表面物质的传输机制，引起晶界迁移的驱动力发生改变，从而影响晶粒长大动力学规律。本工作构建了耦合晶界沟槽演化和晶粒长大的相场模型，对晶界沟槽的形成过程进行了模拟。构建了多晶体系的自由能方程，总自由能的减少为体系的演化提供了驱动力；对迁移率系数进行了修正，使得晶界沟槽形成和晶粒生长遵循不同的动力学过程。然后，对UO2陶瓷燃料晶界沟槽演化行为进行了模拟，结果表明，单个晶界的沟槽演化过程受表面扩散机制控制，且与Mullins经典理论解吻合较好。进一步研究表明，晶界沟槽的轮廓随着晶界的移动变得不再对称，而处于晶界移动方向前方的晶粒内出现更大的物质堆积。三维多晶薄膜结构的演化结果显示，所有晶粒朝着柱状晶结构演化，晶界与表面相交的位置逐渐产生了沟槽。此时，同一晶粒不同侧晶界所产生的沟槽会在晶粒表面发生重叠，晶界沟槽的轮廓形状也会发生改变。沟槽深度增加会使晶界移动速率减缓，晶粒长大过程变慢。

来源：2026年第3期

《金属学报》期刊编辑部

查看金属学报杂志2026年第3期