金属材料微观缺陷演化及相互作用的多尺度原子模拟

发布时间：2018-01-19 10:23

本文关键词： 时间尺度原子模拟金属材料塑性热激活机制位错分解孪晶界辐照损伤自愈位错攀移　出处：《北京交通大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：晶体金属材料的力学性能及抗辐照性能与微观缺陷的演化及其相互作用息息相关。一方面研究人员需要获得原子级别的信息,进而在微观和介观的尺度上探讨此类问题;另一方面由于热激活机制的存在,此类问题在时间尺度上的大跨度催生了许多理论模型和技术应用,用以弥补分子动力学因时间步长限制带来的固有缺陷。随着纳米科技的发展,人们意识到许多在宏观尺度并不显著的微观机制在材料的特征尺寸达到纳米量级时会变得至关重要,尤其是在滑移系之间竞争机制复杂的密排六方晶体结构金属当中尤为明显。同时,在纳米孪晶备受关注的今天,位错与孪晶界之间的相互作用也被证明与材料的率敏感度直接相关,进一步彰显出晶界所致的滑移系转换的重要性。此外,在核工业中备受关注的材料抗辐照性能的提升与晶界密度很高的纳米层状结构也密切相关。而辐照诱发的过饱和点缺陷在与位错的相互作用中也体现出其对材料力学性能的影响。综上所述,本文针对微纳米尺度塑性、晶界强化的动态响应、辐照损伤的自我愈合、以及热激活机制参与的低应变率/高温塑性四个子课题,分别采用分子动力学、分子静力学,以及跨时间尺度原子模拟技术进行了研究。研究对象涵盖位错、孪晶界、空位和间隙原子。涉及的材料分别有密排六方晶体结构的镁及锆、体心立方晶体结构的铁。主要研究工作及取得的进展如下:1.针对密排六方金属镁在微纳米尺度下的位错塑性进行了模拟和探讨。主要着眼于c + a锥面位错的分解形式,并验证微米柱压缩下"孪晶缺失"的现象。此工作遵循"体系在当前势函数下于受限滑移面上找到最优剪切运动路径"的思路,发现{1011}面上的位错因其分解形式较之{1122}面上的更易启动,这与相关文献中的实验观察以及三维模拟下的结果一致;同时证实了镁的微纳米压缩过程中的孪晶缺失现象。2.选择密排六方金属锆作为研究对象,结合反应中的具体缺陷构型变化探讨了螺位错及刃位错与常见的两种孪晶界的相互反应。研究表明界面与位错反应需要考虑两者相对运动关系,并揭示了孪晶位错对此类反应的贡献;发现了螺位错与{1011}孪晶界反应中前人未曾注意到的、与镁和钛模拟结果不同的细节;发现了刃位错被{1011}孪晶界转换为界面位错锁连带锥面层错的现象;并从四个模型的应力应变曲线的比较中发掘其能量积累的差异,概括出与进一步的三维模拟及实验观察相关的信息。3.以体心立方金属铁中对称倾斜晶界所致的间隙原子发射机制的势垒为出发点,探讨了两种长时间尺度下的晶界诱发点缺陷湮灭机制的异同,从几何角度分析和能量角度分析将两种机制归为一类。不仅提供了发射机制的详细演化路径及过渡态的原子构型,同时通过对比传统的空位跃迁机制探讨了晶界影响范围在纳米层状结构中的修正,并基于界面结构的能量及应力分布去理解晶界如何影响材料的辐照损伤自我愈合机制。4.探讨了体心立方金属铁中自间隙原子簇与刃位错在低应变率和高温下反应的动力学响应。研究给出自间隙原子簇作为障碍物对位错滑移的阻碍作用,并揭示其受到热激活扩散机制影响的机理;成功模拟出了低应变率下的位错攀移现象,并发现了高应变率及低温下导致位错运动更加困难(临界剪切应力更高)的一种"弱钉扎"机制;详细解释了导致"弱钉扎"出现的机理,即势垒在局部应力环境下的变化,体现为其独特的缺陷激活体积以及位错线带来的局部变形的影响。类似的现象在另一种同为体心立方晶体结构金属中被电镜实验观察到。
[Abstract]:On the other hand , the interaction between dislocation and twin boundaries has been proved to be of great importance in the interaction of micro - nano - scale plasticity , grain boundary reinforcement , self - healing of radiation damage , and low strain rate / high temperature plasticity caused by the mechanism of thermal activation .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG111

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