级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响
发布时间：2021-10-17 20:38
铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,而以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构.深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义.基于以上考虑,论文采用分子动力学（MD）模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况.通过对原子模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论:（a）辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;（b）在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为缺陷团簇附近位错环的形核与长大;（c）在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;（d）在单轴拉伸和压缩情况下,级联碰撞（及辐照效应）都会提高珠光体的初始屈服应力.论文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化...
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(06)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
对渗碳体/铁素体界面的级联原子碰撞模拟示意图
图3给出了体系经历不同次数的级联碰撞和弛豫过程后,渗碳体/铁素体两相界面的构型.为了更加清楚地反映两相界面构型的变化,图中只显示与界面距离小于1 nm并且原子势能高于-4.1 eV的原子.和Kim等[20]和Shimokawa等[13]的结果一致,未辐照的渗碳体/铁素体界面由两组相互垂直的位错阵列(或界面失配位错网络)构成.其中沿X方向界面位错阵列的间隔为7.7 nm,沿Z方向的界面位错阵列间隔为7.9 nm.这两组失配位错都是刃位错;以铁素体单胞的晶向来定义,它们的柏氏矢量分别是 b 1 =[1 1 ˉ 0] 和 b 2 =[ 1 ˉ ? 1 ˉ ? 1 ˉ ] .为了叙述方便,下文中这两种位错分别被称为界面位错b1和b2.图3结果显示,随着级联碰撞次数的增加,界面位错阵列的有序结构逐渐被破坏.级联碰撞效应除了破坏界面位错构型,还会在界面附近形成辐照缺陷.图4给出了沿铁素体[111]晶向观察的经历40次级联碰撞的珠光体界面附近所有类型辐照缺陷.为了更加清楚地显示这些辐照缺陷,图4(a)中 删去了完美晶格的铁原子,而图4(b)只显示原子势能大于-4.2 eV的铁原子,并且在两幅图中特意放大了碳原子的大小.所形成的辐照缺陷可以分为间隙型缺陷和空位型缺陷,间隙型缺陷的特点是局部的原子势能较高.图4中可见三种不同类型的间隙型缺陷.第一种是如图4(b)红圈内所示的哑铃状间隙子(dumbbell interstitials),这种间隙型缺陷是由一对沿<110>方向排布的间隙原子构成.第二种是如图4(b)中黄圈所示的双哑铃状间隙子,由两个沿<111>方向排布的哑铃状间隙子构成.第三种是如图4(b)中绿圈所示的,由四个轴向为<111>方向的挤列子(crowdions)形成的团簇,也可以看成是一个小型的间隙型原子环.另外,图4(a)中蓝圈所示结构是单个空位,这种空位型缺陷会造成周围原子的配位数变化,但不会明显增加它们的势能.
从图4(a)中可以观察到有一部分红色的碳原子在级联碰撞后脱离渗碳体进入了铁素体层.该现象意味着辐照效应有促进渗碳体分解的效果.对模拟结果进行分析发现了进入铁素体层的碳原子的三种存在方式:第一种是单个空位结合形成替代碳原子(substitutional carbon atoms).图4(a)蓝色虚线圈中的碳原子就是一个替代碳原子,它并不会破坏周围铁原子的晶格对称性.第二种是如图4(a)中红色虚线圈所示的占据铁原子晶格间隙位置的间隙碳原子(interstitial carbon atoms),大多数的间隙碳原子被发现占据着铁原子晶格中的八面体间隙位置.第三种碳原子跟铁素体中<111>型间隙原子团簇结合,形成图4(a)中黑色虚线圈所示结构比较复杂的间隙-碳原子复合体.图5 (a)(b)未辐照的珠光体试样在拉伸应变为7.5%时,由两个不同视角观察到的界面原子构型;(c)应变为7.7%时的界面附近原子构型.图(a)-(c)中均删去了完美晶格的铁原子,原子根据Y方向坐标着色
本文编号：3442383
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(06)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
对渗碳体/铁素体界面的级联原子碰撞模拟示意图
图3给出了体系经历不同次数的级联碰撞和弛豫过程后,渗碳体/铁素体两相界面的构型.为了更加清楚地反映两相界面构型的变化,图中只显示与界面距离小于1 nm并且原子势能高于-4.1 eV的原子.和Kim等[20]和Shimokawa等[13]的结果一致,未辐照的渗碳体/铁素体界面由两组相互垂直的位错阵列(或界面失配位错网络)构成.其中沿X方向界面位错阵列的间隔为7.7 nm,沿Z方向的界面位错阵列间隔为7.9 nm.这两组失配位错都是刃位错;以铁素体单胞的晶向来定义,它们的柏氏矢量分别是 b 1 =[1 1 ˉ 0] 和 b 2 =[ 1 ˉ ? 1 ˉ ? 1 ˉ ] .为了叙述方便,下文中这两种位错分别被称为界面位错b1和b2.图3结果显示,随着级联碰撞次数的增加,界面位错阵列的有序结构逐渐被破坏.级联碰撞效应除了破坏界面位错构型,还会在界面附近形成辐照缺陷.图4给出了沿铁素体[111]晶向观察的经历40次级联碰撞的珠光体界面附近所有类型辐照缺陷.为了更加清楚地显示这些辐照缺陷,图4(a)中 删去了完美晶格的铁原子,而图4(b)只显示原子势能大于-4.2 eV的铁原子,并且在两幅图中特意放大了碳原子的大小.所形成的辐照缺陷可以分为间隙型缺陷和空位型缺陷,间隙型缺陷的特点是局部的原子势能较高.图4中可见三种不同类型的间隙型缺陷.第一种是如图4(b)红圈内所示的哑铃状间隙子(dumbbell interstitials),这种间隙型缺陷是由一对沿<110>方向排布的间隙原子构成.第二种是如图4(b)中黄圈所示的双哑铃状间隙子,由两个沿<111>方向排布的哑铃状间隙子构成.第三种是如图4(b)中绿圈所示的,由四个轴向为<111>方向的挤列子(crowdions)形成的团簇,也可以看成是一个小型的间隙型原子环.另外,图4(a)中蓝圈所示结构是单个空位,这种空位型缺陷会造成周围原子的配位数变化,但不会明显增加它们的势能.
从图4(a)中可以观察到有一部分红色的碳原子在级联碰撞后脱离渗碳体进入了铁素体层.该现象意味着辐照效应有促进渗碳体分解的效果.对模拟结果进行分析发现了进入铁素体层的碳原子的三种存在方式:第一种是单个空位结合形成替代碳原子(substitutional carbon atoms).图4(a)蓝色虚线圈中的碳原子就是一个替代碳原子,它并不会破坏周围铁原子的晶格对称性.第二种是如图4(a)中红色虚线圈所示的占据铁原子晶格间隙位置的间隙碳原子(interstitial carbon atoms),大多数的间隙碳原子被发现占据着铁原子晶格中的八面体间隙位置.第三种碳原子跟铁素体中<111>型间隙原子团簇结合,形成图4(a)中黑色虚线圈所示结构比较复杂的间隙-碳原子复合体.图5 (a)(b)未辐照的珠光体试样在拉伸应变为7.5%时,由两个不同视角观察到的界面原子构型;(c)应变为7.7%时的界面附近原子构型.图(a)-(c)中均删去了完美晶格的铁原子,原子根据Y方向坐标着色
本文编号：3442383
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