金屬材料微觀缺陷演化及相互作用的多尺度原子模擬.pdf

1、晶體金屬材料的力學性能及抗輻照性能與微觀缺陷的演化及其相互作用息息相關。一方面研究人員需要獲得原子級別的信息，進而在微觀和介觀的尺度上探討此類問題;另一方面由于熱激活機制的存在，此類問題在時間尺度上的大跨度催生了許多理論模型和技術應用，用以彌補分子動力學因時間步長限制帶來的固有缺陷。隨著納米科技的發(fā)展，人們意識到許多在宏觀尺度并不顯著的微觀機制在材料的特征尺寸達到納米量級時會變得至關重要，尤其是在滑移系之間競爭機制復雜的密排六方晶體結構

2、金屬當中尤為明顯。同時，在納米孿晶備受關注的今天，位錯與孿晶界之間的相互作用也被證明與材料的率敏感度直接相關，進一步彰顯出晶界所致的滑移系轉(zhuǎn)換的重要性。此外，在核工業(yè)中備受關注的材料抗輻照性能的提升與晶界密度很高的納米層狀結構也密切相關。而輻照誘發(fā)的過飽和點缺陷在與位錯的相互作用中也體現(xiàn)出其對材料力學性能的影響。綜上所述，本文針對微納米尺度塑性、晶界強化的動態(tài)響應、輻照損傷的自我愈合、以及熱激活機制參與的低應變率/高溫塑性四個子課題，分

3、別采用分子動力學、分子靜力學，以及跨時間尺度原子模擬技術進行了研究。研究對象涵蓋位錯、孿晶界、空位和間隙原子。涉及的材料分別有密排六方晶體結構的鎂及鋯、體心立方晶體結構的鐵。主要研究工作及取得的進展如下:
　　1.針對密排六方金屬鎂在微納米尺度下的位錯塑性進行了模擬和探討。主要著眼于錐面位錯的分解形式，并驗證微米柱壓縮下“孿晶缺失”的現(xiàn)象。此工作遵循“體系在當前勢函數(shù)下于受限滑移面上找到最優(yōu)剪切運動路徑”的思路，發(fā)現(xiàn){1

4、0(1)1}面上的位錯因其分解形式較之{11(2)2}面上的更易啟動，這與相關文獻中的實驗觀察以及三維模擬下的結果一致;同時證實了鎂的微納米壓縮過程中的孿晶缺失現(xiàn)象。
　　2.選擇密排六方金屬鋯作為研究對象，結合反應中的具體缺陷構型變化探討了螺位錯及刃位錯與常見的兩種孿晶界的相互反應。研究表明界面與位錯反應需要考慮兩者相對運動關系，并揭示了孿晶位錯對此類反應的貢獻;發(fā)現(xiàn)了螺位錯與{10(1)1}孿晶界反應中前人未曾注意到的、與鎂和

5、鈦模擬結果不同的細節(jié);發(fā)現(xiàn)了刃位錯被{10(1)1}孿晶界轉(zhuǎn)換為界面位錯鎖連帶錐面層錯的現(xiàn)象;并從四個模型的應力應變曲線的比較中發(fā)掘其能量積累的差異，概括出與進一步的三維模擬及實驗觀察相關的信息。
　　3.以體心立方金屬鐵中對稱傾斜晶界所致的間隙原子發(fā)射機制的勢壘為出發(fā)點，探討了兩種長時間尺度下的晶界誘發(fā)點缺陷湮滅機制的異同，從幾何角度分析和能量角度分析將兩種機制歸為一類。不僅提供了發(fā)射機制的詳細演化路徑及過渡態(tài)的原子構型，同時通

6、過對比傳統(tǒng)的空位躍遷機制探討了晶界影響范圍在納米層狀結構中的修正，并基于界面結構的能量及應力分布去理解晶界如何影響材料的輻照損傷自我愈合機制。
　　4.探討了體心立方金屬鐵中自間隙原子簇與刃位錯在低應變率和高溫下反應的動力學響應。研究給出自間隙原子簇作為障礙物對位錯滑移的阻礙作用，并揭示其受到熱激活擴散機制影響的機理;成功模擬出了低應變率下的位錯攀移現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了高應變率及低溫下導致位錯運動更加困難（臨界剪切應力更高）的一種“弱釘