钨纳米单晶体本征力学行为的分子动力学研究

摘要

受控核聚变反应以其安全清洁的特性在核能利用领域日益受到重视。由于具有高熔点、低溅射的特点,钨越来越多地被用于聚变反应堆的结构材料,其强度与韧性成为人们同时关注的两方面力学性能。本文利用分子动力学模拟手段,研究了钨纳米单晶体的本征力学行为。
　　首先,选用Finnis-Sinclair形式的嵌入式原子势计算了钨的晶格常数和空位形成能以验证其准确性,计算结果与实验值相差较小,可以将该势函数用于本文的分子动力学模拟。
　　其次,应用分子动力学方法模拟了钨纳米单晶体的拉伸变形过程,并进一步研究了其起始塑性变形的机制以及加载温度、加载方位与应变速率对拉伸变形行为的影响。结果表明:77K、293K和800K下沿[100]方向拉伸时,钨纳米单晶体的变形均可分为弹性变形、不均匀塑性变形、加工硬化和颈缩断裂四个阶段;中心对称参数法和双面迹线法的分析结果表明293K时钨单晶体沿[100]方向拉伸的起始塑性变形方式为孪生,孪生参数为(211)[111]。随着应变程度增加,出现孪生与滑移相互转化的变形特点;加载温度升高时,钨单晶体的塑性明显增强。800K时其塑性最好,试样表面出现了较多的滑移台阶,屈服应力及屈服应变明显减小,断裂时应变量最大;改变加载方位,钨单晶体表现出不同的的变形过程,沿[110]方向及[111]方向拉伸时晶体无颈缩现象,且屈服应力及屈服应变比[100]方向明显增大;在0.0001/ps～0.002/ps之间增大加载速率时,钨单晶体的屈服应力增大,而屈服应变基本没有改变。
　　最后,应用分子动力学方法模拟了不同温度下单晶体钨中(110)[110]与(010)[100]预制裂纹体系的裂纹扩展过程。结果表明:[110]预制裂纹体系在77K与200K时裂纹始终沿(110)面扩展直至材料分离,500K与800K时裂纹尖端都出现钝化现象。裂纹扩展过程中裂尖附近有孪生带出现,温度升高,孪生带宽度增加,裂纹钝化的效应也越来越明显;(010)[100]体系裂尖的扩展方向偏离主裂纹面,韧脆转变温度比(110)[110]有所提高,这是由于单晶体材料的各向异性所致。

目录

钨纳米单晶体本征力学行为 的分子动力学研究

MOLECULAR DYNAMICS STUDY ON INTRINSIC MECHANICS BEHAVIOUR OF TUNGSTEN NANOSCALE SINGLE CRYSTAL

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 课题研究背景

1.3 钨结构与性能简介

1.4 国内外的研究现状及分析

1.5 课题的研究内容与意义

第2章 分子动力学模拟基础知识

2.1 引言

2.2 基本原理

2.3 程序

2.4 原子间相互作用势函数

2.5 平衡系统分子动力学模拟的系综

2.6 平衡系综的控制方法

2.7 缺陷的观察以及分析方法

2.8 本章小结

第3章 钨的嵌入式原子势及其验证

3.1 引言

3.2 BCC结构金属的嵌入原子势的发展

3.3 钨的改进型F-S势

3.4 钨弹性常数的计算

3.5 钨的空位形成能计算

3.6 本章小结

第4章 钨纳米单晶体拉伸力学行为的分子动力学研究

4.1引言

4.2 钨纳米单晶体拉伸变形的分子动力学模拟

4.3 77K时的拉伸变形的力学行为分析

4.4 293K时的拉伸变形的力学行为分析

4.5 293K拉伸的起始塑性变形机制分析

4.6 800K时的拉伸变形的力学行为分析

4.7拉伸变形过程中的影响因素分析

4.8 本章小结

第5章 钨单晶体裂纹扩展的分子动力学研究

5.1 引言

5.2分子动力学模拟预制裂纹扩展的基本过程

5.3 预制裂纹体系裂纹扩展的模拟

5.4 钨单晶体裂纹扩展机制研究

5.5 预制裂纹的空间取向对裂纹扩展的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

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致 谢