納米晶鎢塑性變形行為及其影響因素的分子動(dòng)力學(xué)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(yīng)裝置中的應(yīng)用日益廣泛。為了解決其韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高的缺點(diǎn),提高強(qiáng)度和韌性,采用細(xì)化晶粒的方法已經(jīng)成為主要趨勢(shì)。晶體缺陷無(wú)疑對(duì)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(jī)制仍有待進(jìn)一步研究,本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法,研究了空位和晶界以及溫度對(duì)納米晶鎢力學(xué)性能和變形

2、機(jī)制的影響。
　　首先,選用了兩種嵌入式原子勢(shì)分別計(jì)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(guò)與實(shí)驗(yàn)值相比較來(lái)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,選擇計(jì)算誤差相對(duì)較小并且計(jì)算效率較高的改進(jìn)型Finnis-Sinclair勢(shì)用于本文的分子動(dòng)力學(xué)研究。
　　其次,分析了在不同溫度下空位對(duì)納米晶鎢力學(xué)性能和變形機(jī)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(guò)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(gè)階段;起始塑

3、性變形時(shí),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(duì)稱(chēng)的孿生變形的顯著特點(diǎn),模型表面上產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象,孿生方向?yàn)?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(jìn)行,提高了鎢納米晶的屈服強(qiáng)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(dāng)空位的強(qiáng)化效果不足以抵消溫度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響時(shí),而表現(xiàn)出屈服強(qiáng)度降低。溫度越高,軟化效果越強(qiáng),表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度顯著降

4、低。
　　最后,采用分子動(dòng)力學(xué)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(guò)彈性變形后,開(kāi)始塑性變形,當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)復(fù)雜塑性變形后,晶界處開(kāi)始出現(xiàn)裂紋源,隨著裂紋擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。
　　分析晶粒尺寸與變形應(yīng)力關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者符合混合Hall-Petch關(guān)系,即從15.18nm細(xì)化至11.61nm時(shí),屈服強(qiáng)度升高,表現(xiàn)出Hall-Petch關(guān)系,繼續(xù)細(xì)化至3.57nm時(shí),屈服強(qiáng)度明顯下降

5、,呈反常Hall-Petch關(guān)系,因此臨界晶粒尺寸可大致判斷為11.61nm。
　　通過(guò)對(duì)晶粒尺寸為3.57nm和15.18nm的多晶鎢的變形機(jī)制分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者變形機(jī)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(shí)首先發(fā)生晶界旋轉(zhuǎn)來(lái)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(cuò),還包括結(jié)構(gòu)相變;晶粒尺寸大于臨界晶粒尺寸時(shí),主要以晶界發(fā)射位錯(cuò)為主。溫度影響著原子的熱運(yùn)動(dòng)以及位錯(cuò)發(fā)射能力,因此隨著溫度的升高,兩種晶粒尺