单轴加载下钨中裂纹扩展机理的研究
发布时间：2021-04-04 00:51
应用分子动力学的方法探究了单晶钨在单轴加载下的裂纹扩展行为。分析了温度和晶向对裂纹扩展的影响。研究结果表明:在不同温度下,[001]方向上的裂纹在扩展时尖端主要的变形机制为滑移带,位错和钝化效应。随着温度的升高,裂纹扩展时屈服强度是逐渐降低的。在300 K和500 K时裂纹经过屈服变形之后呈现出快速扩展,而在700 K和900 K时裂纹出现了二次屈服现象。除此之外,建立了不同晶向的裂纹模型。研究结果表明:裂纹沿[111]方向拉伸时屈服强度最大,[110]次之,[001]最小,而且裂纹在[110]晶向上的平均应力-应变曲线出现了屈服平台,说明具有良好塑性和抗裂纹扩展特性,其裂纹萌发时主要的塑性为滑移带。而[111]方向上的裂纹在扩展过程中主要塑性为位错,然后裂纹以钝化空洞的形式扩展。由此得出不同晶向的裂纹在扩展时尖端微观结构的演变出现了差异。
【文章来源】：机械强度. 2020,42(04)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
初始晶体裂纹模型
图8和图9为钨中裂纹在不同晶向下扩展机理演变过程。从结构演变图中可以得到，在[110]晶向上矩形裂纹初始萌发时在四个角产生滑移带，并形成塑性区域，滑移系统为〈110〉(110)。与[001]方向裂纹初始扩展时完全不同(如图3所示)。而且裂纹在扩展时在裂纹的两端形成三角形的尖端裂纹，随着载荷的增加裂纹以三角形的尖端进行快速扩展，而且在裂纹的尖端还出现了钝化效应。然而裂纹在[111]方向上加载时又出现了与其他两个晶向上不同的变形机制，如图9所示。从图中可以得到，裂纹在初始扩展时两端处沿着[111]方向形成了位错(图9中垂直于裂纹的白色原子所示)，而且载荷增加到19.7%时裂纹两端出现大量的钝化原子，并形成区域化，此时裂纹两端的应力集中加剧，内部结构完全被损坏，然后裂纹以钝化空洞的形式快速扩展，直到结构出现断裂。图8 钨在[011]晶向上拉伸时的裂纹扩展
图2为单晶钨中裂纹在不同温度下的应力-应变曲线。从图中发现随着温度的升高，屈服应力逐渐降低，如表1所示。300 K与500 K时应力随着应变的增加，经过屈服应力之后发生了突降现象，当应力下降到零时，结构出现了断裂;而在700 K与900 K温度下钨中裂纹的应力应变曲线发生了二次屈服现象，然后才降为零。由此可以得出钨中裂纹在加载过程中，在300 K与500 K时呈现出快速扩展，而在700 K与900K时呈现出韧性扩展。这是因为随着温度的升高，晶格中的原子将具有更高的能量，使其在晶格中的振动更加剧烈，更易脱离原有位置而形成缺陷。当有定向载荷加载在材料上时，将会导致材料中大规模原子脱离原有位置形成位错与滑移。而位错滑移是导致材料发生塑性形变的主要原因。因此，高温使金属软化提高了材料的韧性，从而有效地阻碍了裂纹的快速扩展。图3～图6给出了钨中裂纹在不同温度下裂纹的扩展机理以及尖端微观结构的演变过程。图3显示在常温300 K时，钨中裂纹加载到4.5%的应变时开始扩展，裂纹尖端出现了位错滑移;随着应变的逐渐增加，裂纹尖端的塑性区域逐渐扩大，出现了大量的滑移形变(图中绿色的原子所示);当应变加载到8%时，裂纹尖端出现了开裂，并以尖端裂纹的形式沿着[110]方向扩展;随后裂纹在10%的应变时以钝化的方式(图中尖端裂纹前沿的白色原子所示)进行快速扩展，周围出现了大量的滑移带。随着温度的升高，钨中裂纹在500 K初始扩展时的应变是5%，相对于常温300K时出现了推迟，主要是由于温度的升高，结构出现了软化，延迟了裂纹的萌发;随着加载的逐渐增加，裂纹尖端主要的变形机制仍然是滑移带，塑性变形的区域相对常温时要多。在应变为13%时，裂纹的两侧形成尖端，并开始快速的扩展，裂纹尖端出现了严重的应力集中现象，形成了大区域的钝化原子(图4d白色原子所示)，此时滑移带很难缓解这种应力集中现象，从而导致内部结构严重破坏。到了700 K时，裂纹尖端的塑性区域明显比相对较低的温度时变大，从而有效的缓解裂纹尖端的应力集中现象，阻碍了裂纹的快速扩展，此时结构具有较强的抗拉强度，因此在应力-应变曲线中出现了二次屈服现象。到了高温900 K时，裂纹在扩展时周围的滑移带区域有所减少，这是由于高温使结构出现了软化，滑移受阻引起的，但是在裂纹的尖端除了钝化和滑移带以外，又出现了位错和位错环新的变形机制，这也有利于降低内部的应力集中现象，增强结构的抗拉性能，因此高温时也出现了良好的力学性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料力学性能的辐照硬化效应[J]. 肖厦子,宋定坤,楚海建,薛建明,段慧玲. 力学进展. 2015(00)
[2]钨合金力学性能表征分子动力学模拟[J]. 于超,任会兰,宁建国. 材料工程. 2014(10)
[3]不同温度下纳米钼单晶力学性能的分子动力学模拟[J]. 马磊,钟颖,陈志谦. 机械强度. 2012(05)
[4]基于AFM纳米机械刻蚀的分子动力学模拟研究[J]. 蒋洪奎,胡礼广,陆爽,姚汤伟. 机械强度. 2008(04)
硕士论文
[1]单晶钨拉伸分子动力学模拟[D]. 常红燕.西南交通大学 2016
本文编号：3117413
【文章来源】：机械强度. 2020,42(04)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
初始晶体裂纹模型
图8和图9为钨中裂纹在不同晶向下扩展机理演变过程。从结构演变图中可以得到，在[110]晶向上矩形裂纹初始萌发时在四个角产生滑移带，并形成塑性区域，滑移系统为〈110〉(110)。与[001]方向裂纹初始扩展时完全不同(如图3所示)。而且裂纹在扩展时在裂纹的两端形成三角形的尖端裂纹，随着载荷的增加裂纹以三角形的尖端进行快速扩展，而且在裂纹的尖端还出现了钝化效应。然而裂纹在[111]方向上加载时又出现了与其他两个晶向上不同的变形机制，如图9所示。从图中可以得到，裂纹在初始扩展时两端处沿着[111]方向形成了位错(图9中垂直于裂纹的白色原子所示)，而且载荷增加到19.7%时裂纹两端出现大量的钝化原子，并形成区域化，此时裂纹两端的应力集中加剧，内部结构完全被损坏，然后裂纹以钝化空洞的形式快速扩展，直到结构出现断裂。图8 钨在[011]晶向上拉伸时的裂纹扩展
图2为单晶钨中裂纹在不同温度下的应力-应变曲线。从图中发现随着温度的升高，屈服应力逐渐降低，如表1所示。300 K与500 K时应力随着应变的增加，经过屈服应力之后发生了突降现象，当应力下降到零时，结构出现了断裂;而在700 K与900 K温度下钨中裂纹的应力应变曲线发生了二次屈服现象，然后才降为零。由此可以得出钨中裂纹在加载过程中，在300 K与500 K时呈现出快速扩展，而在700 K与900K时呈现出韧性扩展。这是因为随着温度的升高，晶格中的原子将具有更高的能量，使其在晶格中的振动更加剧烈，更易脱离原有位置而形成缺陷。当有定向载荷加载在材料上时，将会导致材料中大规模原子脱离原有位置形成位错与滑移。而位错滑移是导致材料发生塑性形变的主要原因。因此，高温使金属软化提高了材料的韧性，从而有效地阻碍了裂纹的快速扩展。图3～图6给出了钨中裂纹在不同温度下裂纹的扩展机理以及尖端微观结构的演变过程。图3显示在常温300 K时，钨中裂纹加载到4.5%的应变时开始扩展，裂纹尖端出现了位错滑移;随着应变的逐渐增加，裂纹尖端的塑性区域逐渐扩大，出现了大量的滑移形变(图中绿色的原子所示);当应变加载到8%时，裂纹尖端出现了开裂，并以尖端裂纹的形式沿着[110]方向扩展;随后裂纹在10%的应变时以钝化的方式(图中尖端裂纹前沿的白色原子所示)进行快速扩展，周围出现了大量的滑移带。随着温度的升高，钨中裂纹在500 K初始扩展时的应变是5%，相对于常温300K时出现了推迟，主要是由于温度的升高，结构出现了软化，延迟了裂纹的萌发;随着加载的逐渐增加，裂纹尖端主要的变形机制仍然是滑移带，塑性变形的区域相对常温时要多。在应变为13%时，裂纹的两侧形成尖端，并开始快速的扩展，裂纹尖端出现了严重的应力集中现象，形成了大区域的钝化原子(图4d白色原子所示)，此时滑移带很难缓解这种应力集中现象，从而导致内部结构严重破坏。到了700 K时，裂纹尖端的塑性区域明显比相对较低的温度时变大，从而有效的缓解裂纹尖端的应力集中现象，阻碍了裂纹的快速扩展，此时结构具有较强的抗拉强度，因此在应力-应变曲线中出现了二次屈服现象。到了高温900 K时，裂纹在扩展时周围的滑移带区域有所减少，这是由于高温使结构出现了软化，滑移受阻引起的，但是在裂纹的尖端除了钝化和滑移带以外，又出现了位错和位错环新的变形机制，这也有利于降低内部的应力集中现象，增强结构的抗拉性能，因此高温时也出现了良好的力学性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料力学性能的辐照硬化效应[J]. 肖厦子,宋定坤,楚海建,薛建明,段慧玲. 力学进展. 2015(00)
[2]钨合金力学性能表征分子动力学模拟[J]. 于超,任会兰,宁建国. 材料工程. 2014(10)
[3]不同温度下纳米钼单晶力学性能的分子动力学模拟[J]. 马磊,钟颖,陈志谦. 机械强度. 2012(05)
[4]基于AFM纳米机械刻蚀的分子动力学模拟研究[J]. 蒋洪奎,胡礼广,陆爽,姚汤伟. 机械强度. 2008(04)
硕士论文
[1]单晶钨拉伸分子动力学模拟[D]. 常红燕.西南交通大学 2016
本文编号：3117413
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