纳米晶钨塑性变形行为及其影响因素的分子动力学研究

摘要

钨作为一种重要的面向等离子体材料(Plasma Facing Material,PFM)在核聚变反应装置中的应用日益广泛。为了解决其韧脆转变温度较高的缺点,提高强度和韧性,采用细化晶粒的方法已经成为主要趋势。晶体缺陷无疑对于钨在面向等离子体构件(PlasmaFacingComponent,PFC)中发挥稳定的性能起到了重要的作用,然而其具体作用机制仍有待进一步研究,本文采用分子动力学方法,研究了空位和晶界以及温度对纳米晶钨力学性能和变形机制的影响。
　　首先,选用了两种嵌入式原子势分别计算了钨的晶格常数、内聚能、弹性常数、空位形成能和表面能,通过与实验值相比较来验证其准确性,选择计算误差相对较小并且计算效率较高的改进型Finnis-Sinclair势用于本文的分子动力学研究。
　　其次,分析了在不同温度下空位对纳米晶钨力学性能和变形机制的影响。结果表明,在不同温度下,含空位纳米晶钨的变形过程表现为弹性变形、不均匀塑性变形、均匀塑性变形和颈缩四个阶段;起始塑性变形时,晶体表现出均匀切变,变形部分与未变形部分构成镜面对称的孪生变形的显著特点,模型表面上产生浮凸现象,孪生方向为(211)[111]。
　　在77K和298K温度下,空位在晶体内部产生的畸变阻碍了切变的进行,提高了钨纳米晶的屈服强度;而在800K和1000K温度下,原子具有较高的能量,使晶体变形表现出软化效果,当空位的强化效果不足以抵消温度对屈服强度的影响时,而表现出屈服强度降低。温度越高,软化效果越强,表现为屈服强度显著降低。
　　最后,采用分子动力学模拟方法模拟了纳米多晶钨在298K、800K和1273K温度下的拉伸变形,结果表明试样经过弹性变形后,开始塑性变形,当内部出现复杂塑性变形后,晶界处开始出现裂纹源,随着裂纹扩展而发生断裂。
　　分析晶粒尺寸与变形应力关系,结果发现两者符合混合Hall-Petch关系,即从15.18nm细化至11.61nm时,屈服强度升高,表现出Hall-Petch关系,继续细化至3.57nm时,屈服强度明显下降,呈反常Hall-Petch关系,因此临界晶粒尺寸可大致判断为11.61nm。
　　通过对晶粒尺寸为3.57nm和15.18nm的多晶钨的变形机制分析,结果发现两者变形机制存在明显不同:晶粒尺寸小于临界晶粒尺寸的多晶钨在变形时首先发生晶界旋转来协调晶粒之间的变形,继而发生孪生变形、晶界发射位错,还包括结构相变;晶粒尺寸大于临界晶粒尺寸时,主要以晶界发射位错为主。温度影响着原子的热运动以及位错发射能力,因此随着温度的升高,两种晶粒尺寸的多晶钨的屈服强度均表现为下降。

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目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 课题背景

1.3 国内外研究现状

1.4 课题研究的主要内容

第2章 分子动力学模拟方法

2.1 引言

2.2 基本原理

2.3 运动方程及其求解

2.4 边界条件

2.5 平衡系统的分子动力学模拟系综

2.6 平衡系综的控制方法

2.7 势函数

2.8 结构分析技术

2.9 Voronoi算法及多晶建模

2.10 本章小结

第3章 钨的嵌入式原子势及其验证与评价

3.1 引言

3.2 体心立方结构晶体的嵌入原子势

3.3 钨的嵌入原子势的验证与评价

3.4 本章小结

第4章 含空位纳米单晶钨拉伸的分子动力学研究

4.1引言

4.2 建模方法

4.3 弛豫

4.4 77K含空位纳米单晶钨拉伸变形的力学行为分析

4.5 77K条件下塑性变形机制分析

4.6 298K含空位纳米单晶钨拉伸变形的力学行为分析

4.7 800K含空位纳米单晶钨拉伸变形的力学行为分析

4.8 800K条件下塑性变形机制分析

4.9 1000K含空位纳米单晶钨拉伸变形的力学行为分析

4.10 温度对拉伸变形的影响分析

4.11 本章小结

第5章 纳米多晶钨拉伸的分子动力学研究

5.1 引言

5.2 模拟方法

5.3 纳米多晶钨拉伸变形的研究

5.4 温度对纳米多晶钨变形的影响分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢