納米晶鎢塑性變形行為及其影響因素的分子動力學研究.pdf

1、鎢作為一種重要的面向等離子體材料(Plasma Facing Material,PFM)在核聚變反應裝置中的應用日益廣泛。為了解決其韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高的缺點,提高強度和韌性,采用細化晶粒的方法已經(jīng)成為主要趨勢。晶體缺陷無疑對于鎢在面向等離子體構(gòu)件(PlasmaFacingComponent,PFC)中發(fā)揮穩(wěn)定的性能起到了重要的作用,然而其具體作用機制仍有待進一步研究,本文采用分子動力學方法,研究了空位和晶界以及溫度對納米晶鎢力學性能和變形

2、機制的影響。
　　首先,選用了兩種嵌入式原子勢分別計算了鎢的晶格常數(shù)、內(nèi)聚能、彈性常數(shù)、空位形成能和表面能,通過與實驗值相比較來驗證其準確性,選擇計算誤差相對較小并且計算效率較高的改進型Finnis-Sinclair勢用于本文的分子動力學研究。
　　其次,分析了在不同溫度下空位對納米晶鎢力學性能和變形機制的影響。結(jié)果表明,在不同溫度下,含空位納米晶鎢的變形過程表現(xiàn)為彈性變形、不均勻塑性變形、均勻塑性變形和頸縮四個階段;起始塑

3、性變形時,晶體表現(xiàn)出均勻切變,變形部分與未變形部分構(gòu)成鏡面對稱的孿生變形的顯著特點,模型表面上產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象,孿生方向為(211)[111]。
　　在77K和298K溫度下,空位在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的畸變阻礙了切變的進行,提高了鎢納米晶的屈服強度;而在800K和1000K溫度下,原子具有較高的能量,使晶體變形表現(xiàn)出軟化效果,當空位的強化效果不足以抵消溫度對屈服強度的影響時,而表現(xiàn)出屈服強度降低。溫度越高,軟化效果越強,表現(xiàn)為屈服強度顯著降

4、低。
　　最后,采用分子動力學模擬方法模擬了納米多晶鎢在298K、800K和1273K溫度下的拉伸變形,結(jié)果表明試樣經(jīng)過彈性變形后,開始塑性變形,當內(nèi)部出現(xiàn)復雜塑性變形后,晶界處開始出現(xiàn)裂紋源,隨著裂紋擴展而發(fā)生斷裂。
　　分析晶粒尺寸與變形應力關系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者符合混合Hall-Petch關系,即從15.18nm細化至11.61nm時,屈服強度升高,表現(xiàn)出Hall-Petch關系,繼續(xù)細化至3.57nm時,屈服強度明顯下降

5、,呈反常Hall-Petch關系,因此臨界晶粒尺寸可大致判斷為11.61nm。
　　通過對晶粒尺寸為3.57nm和15.18nm的多晶鎢的變形機制分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者變形機制存在明顯不同:晶粒尺寸小于臨界晶粒尺寸的多晶鎢在變形時首先發(fā)生晶界旋轉(zhuǎn)來協(xié)調(diào)晶粒之間的變形,繼而發(fā)生孿生變形、晶界發(fā)射位錯,還包括結(jié)構(gòu)相變;晶粒尺寸大于臨界晶粒尺寸時,主要以晶界發(fā)射位錯為主。溫度影響著原子的熱運動以及位錯發(fā)射能力,因此隨著溫度的升高,兩種晶粒尺