鐵、鎳及鎳基合金疲勞斷裂行為的原子模擬.pdf

1、采用分子動(dòng)力學(xué)的方法(MD)，結(jié)合改進(jìn)分析型嵌入原子方法(MAEAM)，從微觀角度研究了鐵、鎳及鎳基合金的疲勞斷裂行為。探討了金屬中疲勞裂紋的斷裂方式以及尖端的變形機(jī)制，并且通過(guò)計(jì)算裂紋長(zhǎng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化分析了裂紋擴(kuò)展速率。同時(shí)還討論了晶向、溫度及界面對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。
　　研究了單晶鐵疲勞裂紋擴(kuò)展行為，探討了不同晶體取向裂紋模型的擴(kuò)展方式和裂紋尖端的變形機(jī)制。在常溫下，[001](010)裂紋表現(xiàn)出韌性開(kāi)裂，裂紋尖端主

2、要的變形機(jī)制為剪切滑移帶，滑移系為＜111＞{110};而[110](110)裂紋表現(xiàn)出脆性斷裂，滑移系為＜110＞{110};對(duì)于[112](111)裂紋，空洞和空位是疲勞裂紋尖端主要的變形機(jī)制。當(dāng)溫度從300K升到600K時(shí)，裂紋尖端的變形機(jī)制發(fā)生了改變。[001](010)裂紋在高溫時(shí)尖端還出現(xiàn)了空洞和部分FCC相變，而[110](110)裂紋尖端的變形主要為空洞和微裂紋，[112](111)裂紋在高溫時(shí)表現(xiàn)出脆性斷裂。同時(shí)，溫度

3、對(duì)不同晶向的裂紋擴(kuò)展速率的影響也不同。另外，研究了∑3和∑5兩種晶界模型在常溫下對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明，∑3模型中，晶界對(duì)裂紋的阻礙作用失效，裂紋以鈍化效應(yīng)的方式快速擴(kuò)展;而在∑5晶界模型中，晶界的兩側(cè)形成了兩個(gè)對(duì)稱的滑移區(qū)域，從而有效的阻礙了裂紋的快速擴(kuò)展，降低了裂紋的擴(kuò)展速率。
　　以單晶鎳為對(duì)象，研究了不同結(jié)構(gòu)金屬中疲勞裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)在單晶鎳中，[001](010)裂紋在常溫下以鈍化效應(yīng)開(kāi)始萌發(fā)，而在裂紋擴(kuò)展中，

4、駐留滑移帶是裂紋前端主要的變形機(jī)制，滑移系為[110](111);[110](110)裂紋尖端的主要變形為位錯(cuò)線，并且在(111)面形成了滑移帶;而[112](111)裂紋尖端的滑移帶卻沿著[123]和[132]方向滑移，滑移面為{111}面。當(dāng)溫度從300K升到600K時(shí)，不同晶向裂紋的擴(kuò)展速率隨著溫度升高都是增加的，與常溫下相比，高溫導(dǎo)致裂紋尖端滑移帶數(shù)量增多，但沒(méi)有改變裂紋尖端的變形機(jī)制。同時(shí)也討論了∑3和∑5晶界模型在常溫下對(duì)單

5、晶鎳疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。與單晶鐵相比，單晶鎳中∑3界面在裂紋擴(kuò)展前發(fā)生了劇烈形變，使得裂紋周圍的滑移帶幾乎都轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，從而延緩了裂紋的擴(kuò)展;而在∑5晶界模型中，裂紋的尖端以及界面處出現(xiàn)了大量的滑移帶，使得整個(gè)系統(tǒng)有更好的塑性，有效的阻礙了裂紋的擴(kuò)展。
　　相對(duì)于單晶金屬，合金中疲勞裂紋擴(kuò)展行為又有所不同。通過(guò)對(duì)Ni3Al合金中疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究，發(fā)現(xiàn)(010)[001]裂紋在常溫下以三角形的尖端萌發(fā)，然后尖端以空洞形核的方

6、式擴(kuò)展，此時(shí)裂紋周圍形成了大量的位錯(cuò)和滑移，滑移系為{110}＜111＞;[110](110)裂紋前端出現(xiàn)了具有鈍化現(xiàn)象的尖端裂紋，滑移系為(110)[(1)10];而(111)[11(2)]裂紋以鈍化延展的方式擴(kuò)展，使得裂紋擴(kuò)展的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種裂紋模型，并且在[132]和[312]晶向，沿著{111}晶面形成了大量的滑移帶。當(dāng)溫度從300K升到600K時(shí)，Ni3Al中裂紋的擴(kuò)展速率隨著溫度的升高而增加。與常溫下的裂紋擴(kuò)展相比，高

7、溫沒(méi)有改變裂紋前端的滑移系統(tǒng)，卻使滑移帶的數(shù)量增多。另外，研究了Ni/Ni3Al界面在常溫下對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鈍化原子誘導(dǎo)裂紋尖端發(fā)生形變，從而導(dǎo)致新的尖端裂紋在裂紋的前端形成，同時(shí)新的尖端裂紋又引起的鈍化效應(yīng)的形成，并引導(dǎo)著裂紋擴(kuò)展。此時(shí)，Ni/Ni3Al界面把裂紋尖端產(chǎn)生的滑移帶逐漸的轉(zhuǎn)移到Ni3Al的合金相中，從而有效地限制了裂紋的擴(kuò)展。
　　裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中除了受到晶向、溫度、界面的影響外，還受到材料內(nèi)部缺陷

8、的影響，因此又探索了輻照缺陷對(duì)金屬力學(xué)性能及疲勞裂紋擴(kuò)展的影響（以單晶鎳為例）。當(dāng)溫度為100K和300K時(shí)，金屬的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變相對(duì)于輻照前降低，然而，彈性模量在輻照前后卻是升高的。同時(shí)，100K時(shí)的輻照缺陷可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)從而限制滑移帶的擴(kuò)展并導(dǎo)致滑移帶密度的降低。當(dāng)溫度為300K時(shí)，缺陷原子會(huì)引誘大量的空位出現(xiàn)在裂紋的周圍，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)硬化，限制了滑移帶的增長(zhǎng)。通過(guò)研究輻照缺陷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響可以得出，在低溫100K