钨中晶界拉伸和裂纹扩展的原子模拟

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摘要：为了从原子尺度了解体心立方(bcc)金属中晶界拉伸与裂纹扩展的机理，以纯钨为研究对象，通过分子动力学方法进行模拟研究。文中简要叙述了晶体的晶界模型、裂纹断裂类型、分子动力学方法及经典的势函数模型。对模拟结果进行了分析，得到以下结论：(1)在拉伸过程中，晶界能较低的晶界周围原子会发生由 bcc 向面心立方(fcc)的转变，而晶界能较高的晶界则不会发生此类转变，而是直接断裂；(2)在双晶钨的裂纹扩展过程中，以[100]和[110]为倾转轴的晶界上均能找到较为清晰的解理面，且解理面为(100)；而在以[111]为倾转轴的晶界上，晶界沿裂纹直接断裂；(3)温度和应变速率均会影响以[110]为倾转轴的 Σ3（112）晶界的裂纹扩展，并且该影响都是通过孪生的方式实现的。 48067

毕业论文关键字钨晶界分子动力学拉伸裂纹扩展

Title The atom simulation of tension of grain boundaries and crack propagation in tungsten Abstract To understand the mechanism of the tension of grain boundaries and crack propagation in body centered cubic (bcc) metal at atomic-level, a computer simulation study was carried out based on molecular dynamics method. In this work we take tungsten as research object. In this paper, crystal grain boundary models, crack fracture types, molecular dynamics method, and classical potential models are introduced briefly. From the simulation results，the following results are obtained: (1) In the process of tension, atoms surrounding the grain boundaries with lower energy transform from bcc to face centered cubic (fcc), while this transformation is not found in the grain boundaries with higher energy;(2)In the process of crack propagation in bicrystals, grain boundaries whose tilt axes are [100] and [110] have implicit cleavage surfaces (100); grain boundaries whose tilt axes are [110] fracture directly along the crack;(3)Temperature and strain rate will affect the crack propagation of grain boundaries by means of twinning in the crack propagation model of [110]Σ3(112) grain boundary.

Keywords tungsten molecular dynamics grain boundary tension crack propagation

1绪论1

1.1课题研究目的及意义....1

1.2晶体的晶界模型1

1.3裂纹断裂类型....3

1.4分子动力学模拟..3

1.5数据处理技术....6

1.6国内外研究情况6

2晶界模型建立及能量计算9

2.1晶界模型建立....9

2.2晶界能的计算..12

3钨中晶界拉伸过程的原子模拟..15

4钨中晶界裂纹扩展过程的原子模拟23

4.1双晶钨中不同晶界的裂纹扩展过程..23

4.2单晶钨中不同晶界的裂纹扩展过程..27

4.3温度对钨中晶界裂纹扩展的影响30

4.4应变速率对钨中晶界裂纹扩展的影响....31

结论32

致谢33

参考文献..34

1 绪论 1.1 课题研究目的及意义钨是一种物理、力学性能十分优异的金属，它具有较高的硬度和密度，同时还具有熔点高、抗氧化性强、耐腐蚀性强等优点。因此钨的应用范围非常广泛，覆盖航空航天、机械加工工业和核工业等众多领域，与国家军事、经济及制造业等众多行业的发展息息相关。[1] 经济的发展依赖于能源，因此能源问题向来受到全球各个国家的关注和重视。在能源的开发利用中，新能源的开发显得尤为重要。其中，利用等离子体材料(PFM)[2]而产生的聚变能在新能源中的作用举足轻重。PFM 的工作特点是：受等离子体冲刷腐蚀、承受很大热负荷、高能中子辐照、高温。研究发现，钨及钨合金具有的性能较为满足这些因素，因此而成为 PFM的最佳材料。因为与其他原料对比，钨和钨基合金的热导率较高，同时还具有较低的蒸汽压较高的抗热冲击、热负荷能力[3]。目前对于钨的结构、性质、力学行为、辐照损伤行为等的研究正在成为核材料研究的热点。研究金属的断裂机制对于发展强韧度高的新材料十分重要。金属材料发生变形与断裂，通常是因为金属晶体内存在着位错等晶体缺陷。此外，裂纹也是影响材料力学性质的主要缺陷之一。材料发生断裂正是材料中的裂纹在特定的条件下发生扩展的结果。在多种裂纹扩展方式中，张开型裂纹(即 І型裂纹)[3]最为常见，研究它的扩展过程可以帮助我们更加深刻的了解钨的断裂机制，从而使我们更加合理的对钨加以利用。分子动力学是一种可以将微观的单个分子运动同宏观的晶体运动联系起来的模拟方法，因而在裂纹产生和扩展机理的观察研究中被广泛应用[4]。因此，我们借助分子动力学模拟而实现对裂纹萌生、扩展过程和机理的研究。综上，本文采用原子模拟的方法来实现对上文所述的钨纳米单晶体的本征力学行为的研究。通过我们的研究，我们希望能够对钨的断裂机制等力学性能有更加深入的了解，从而促进钨在面向等离子体材料中的应用。