晶体缺陷影响钨力学行为的分子动力学研究

发布时间：2017-09-22 09:24

  本文关键词：晶体缺陷影响钨力学行为的分子动力学研究

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【摘要】：在晶体材料中缺陷无处不在,研究缺陷对纳米材料物理和力学性能的影响具有重要意义。为了研究晶体缺陷对纳米晶钨力学性能的影响,本文采用分子动力学方法从原子尺度分析了位错、孪晶以及晶界等晶体缺陷的力学行为,研究了钨中位错的运动方式,孪晶的形核生长机制及不同晶界对双晶钨力学行为的影响。首先,依据位错的线弹性位移场建立了刃型位错模型,并通过理论应力场分布验证了刃型位错模型的合理性。通过单轴拉伸使位错运动研究了位错运动方式,得到了0K下刃型位错整体直线移动,表现出位错滑动与位错变宽交替进行的特点,位错运动的派-纳应力为4.14GPa;298K下刃型位错通过形成弯折的方式呈“之”状连续滑动,刃位错开动的临界切应力为2.98GPa。降低温度将使刃位错形成弯折的能力降低,位错滑移困难,从而增大钨单晶体的脆性。其次,研究了不同温度下含位错纳米单晶钨压缩的变形过程,结果表明,各温度下随着压缩应力增大晶体的变形均表现为位错滑移-材料硬化-孪生变形的过程。孪晶通常于表面的滑移台阶处形核,77K、298K与800K下的孪生参数均为111/{121},晶体的屈服强度分别为61.1GPa、52.54GPa与35.97GPa。与不含位错的钨单晶体相比,相应温度下的屈服强度分别降低了18.61GPa、4.01GPa与2.52GPa。温度越低可动位错的存在对于促进钨晶体变形而改善韧性的作用越显著。最后,研究了晶界以及晶界取向对双晶钨纳米柱压缩变形的影响。298K下和800K下11090°扭转双晶钨纳米柱压缩变形过程中塑性变形均以应力集中处形核的孪生变形为主,孪生通过孪生位错a/6[111?]的运动不断进行,但是298K下仅在加载两端有孪晶,而800K下在晶界处也有孪晶形核,并且受该孪晶孪生切变的影响11090°扭转晶界偏转了35.3°。晶界方向对11090°扭转双晶钨纳米柱压缩变形过程也会造成影响,当晶界与加载方向垂直时,在晶界两侧的晶粒中同时出现孪晶;而晶界与加载方向平行时,由施密特因子较大的晶粒中先有孪晶形核,之后由于晶界两侧晶粒的弹性应变的不匹配,使得晶界处另一晶粒中次滑移开动出现孪生和滑移变形。通过对298K下Σ3(1?12)对称倾侧双晶钨纳米柱压缩变形过程研究,发现在压缩前期在对称倾侧晶界处发生了失稳弯曲;在压缩变形后期出现了压缩断裂的现象,并且断裂之前在裂纹产生处还伴随着孪生机制的出现。
【关键词】：钨 分子动力学 位错 晶界 力学性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.411
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 钨及钨基材料的研究现状11-13
• 1.2.1 钨及钨基材料在受控热核聚变中的应用11-12
• 1.2.2 超细晶/纳米晶钨的制备12-13
• 1.3 纳米晶体变形与力学性质的分子动力学研究现状13-18
• 1.3.1 纳米单晶体变形行为的分子动力学研究现状14-15
• 1.3.2 晶体缺陷影响纳米晶体变形行为的分子动力学研究现状15-17
• 1.3.3 钨晶体中缺陷与变形行为的研究现状17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-19
• 第2章 计算方法与模型19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 分子动力学方法19-20
• 2.3 缺陷分析方法20-22
• 2.4 不同温度下钨的晶格常数22-23
• 2.5 位错模型的建立及验证23-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 含位错单晶钨力学性能的分子动力学研究29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 单轴拉伸应力作用下的位错运动研究29-36
• 3.2.1 298K下位错运动研究30-33
• 3.2.2 0K下刃型位错的派-纳力研究33-36
• 3.3 不同温度下含位错纳米单晶钨压缩变形模拟36-46
• 3.3.1 77K下含位错纳米单晶钨压缩变形模拟37-40
• 3.3.2 298K下含位错纳米单晶钨压缩变形模拟40-43
• 3.3.3 800K下含位错纳米单晶钨压缩变形模拟43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 双晶钨纳米柱压缩的分子动力学研究47-66
• 4.1 引言47
• 4.2 298K下<110>90°扭转双晶钨纳米柱压缩变形模拟47-54
• 4.2.1 298K下<110>90°扭转双晶钨纳米柱压缩变形行为分析49-52
• 4.2.2 孪生形核与增殖机制研究52-53
• 4.2.3 孪晶与孪晶之间的交互作用53-54
• 4.3 800K下<110>90°扭转双晶纳米柱的压缩变形模拟54-58
• 4.3.1 800K下<110>90°扭转双晶钨纳米柱压缩变形行为分析54-57
• 4.3.2 孪晶与晶界的交互作用57-58
• 4.4 晶界取向对<110>90°扭转双晶钨纳米柱的压缩变形的影响58-61
• 4.5 Σ3（112）倾侧双晶钨纳米柱压缩变形模拟61-64
• 4.6 本章小结64-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74

【参考文献】

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1 高建新;张芬萍;李运刚;;我国钨产业发展现状[J];湿法冶金;2010年04期

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本文编号：900025