應(yīng)用分子動力學(xué)的方法探究了單晶鎢在單軸加載下的裂紋擴(kuò)展行為。分析了溫度和晶向?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響。研究結(jié)果表明:在不同溫度下,[001]方向上的裂紋在擴(kuò)展時尖端主要的變形機(jī)制為滑移帶,位錯和鈍化效應(yīng)。隨著溫度的升高,裂紋擴(kuò)展時屈服強(qiáng)度是逐漸降低的。在300 K和500 K時裂紋經(jīng)過屈服變形之后呈現(xiàn)出快速擴(kuò)展,而在700 K和900 K時裂紋出現(xiàn)了二次屈服現(xiàn)象。除此之外,建立了不同晶向的裂紋模型。研究結(jié)果表明:裂紋沿[111]方向拉伸時屈服強(qiáng)度最大,[110]次之,[001]最小,而且裂紋在[110]晶向上的平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了屈服平臺,說明具有良好塑性和抗裂紋擴(kuò)展特性,其裂紋萌發(fā)時主要的塑性為滑移帶。而[111]方向上的裂紋在擴(kuò)展過程中主要塑性為位錯,然后裂紋以鈍化空洞的形式擴(kuò)展。由此得出不同晶向的裂紋在擴(kuò)展時尖端微觀結(jié)構(gòu)的演變出現(xiàn)了差異。 

【文章來源】：機(jī)械強(qiáng)度. 2020,42(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

初始晶體裂紋模型

圖8和圖9為鎢中裂紋在不同晶向下擴(kuò)展機(jī)理演變過程。從結(jié)構(gòu)演變圖中可以得到，在[110]晶向上矩形裂紋初始萌發(fā)時在四個角產(chǎn)生滑移帶，并形成塑性區(qū)域，滑移系統(tǒng)為〈110〉(110)。與[001]方向裂紋初始擴(kuò)展時完全不同(如圖3所示)。而且裂紋在擴(kuò)展時在裂紋的兩端形成三角形的尖端裂紋，隨著載荷的增加裂紋以三角形的尖端進(jìn)行快速擴(kuò)展，而且在裂紋的尖端還出現(xiàn)了鈍化效應(yīng)。然而裂紋在[111]方向上加載時又出現(xiàn)了與其他兩個晶向上不同的變形機(jī)制，如圖9所示。從圖中可以得到，裂紋在初始擴(kuò)展時兩端處沿著[111]方向形成了位錯(圖9中垂直于裂紋的白色原子所示)，而且載荷增加到19.7%時裂紋兩端出現(xiàn)大量的鈍化原子，并形成區(qū)域化，此時裂紋兩端的應(yīng)力集中加劇，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全被損壞，然后裂紋以鈍化空洞的形式快速擴(kuò)展，直到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂。圖8 鎢在[011]晶向上拉伸時的裂紋擴(kuò)展

圖2為單晶鎢中裂紋在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，屈服應(yīng)力逐漸降低，如表1所示。300 K與500 K時應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加，經(jīng)過屈服應(yīng)力之后發(fā)生了突降現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力下降到零時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了斷裂;而在700 K與900 K溫度下鎢中裂紋的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生了二次屈服現(xiàn)象，然后才降為零。由此可以得出鎢中裂紋在加載過程中，在300 K與500 K時呈現(xiàn)出快速擴(kuò)展，而在700 K與900K時呈現(xiàn)出韌性擴(kuò)展。這是因為隨著溫度的升高，晶格中的原子將具有更高的能量，使其在晶格中的振動更加劇烈，更易脫離原有位置而形成缺陷。當(dāng)有定向載荷加載在材料上時，將會導(dǎo)致材料中大規(guī)模原子脫離原有位置形成位錯與滑移。而位錯滑移是導(dǎo)致材料發(fā)生塑性形變的主要原因。因此，高溫使金屬軟化提高了材料的韌性，從而有效地阻礙了裂紋的快速擴(kuò)展。圖3～圖6給出了鎢中裂紋在不同溫度下裂紋的擴(kuò)展機(jī)理以及尖端微觀結(jié)構(gòu)的演變過程。圖3顯示在常溫300 K時，鎢中裂紋加載到4.5%的應(yīng)變時開始擴(kuò)展，裂紋尖端出現(xiàn)了位錯滑移;隨著應(yīng)變的逐漸增加，裂紋尖端的塑性區(qū)域逐漸擴(kuò)大，出現(xiàn)了大量的滑移形變(圖中綠色的原子所示);當(dāng)應(yīng)變加載到8%時，裂紋尖端出現(xiàn)了開裂，并以尖端裂紋的形式沿著[110]方向擴(kuò)展;隨后裂紋在10%的應(yīng)變時以鈍化的方式(圖中尖端裂紋前沿的白色原子所示)進(jìn)行快速擴(kuò)展，周圍出現(xiàn)了大量的滑移帶。隨著溫度的升高，鎢中裂紋在500 K初始擴(kuò)展時的應(yīng)變是5%，相對于常溫300K時出現(xiàn)了推遲，主要是由于溫度的升高，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了軟化，延遲了裂紋的萌發(fā);隨著加載的逐漸增加，裂紋尖端主要的變形機(jī)制仍然是滑移帶，塑性變形的區(qū)域相對常溫時要多。在應(yīng)變?yōu)?3%時，裂紋的兩側(cè)形成尖端，并開始快速的擴(kuò)展，裂紋尖端出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成了大區(qū)域的鈍化原子(圖4d白色原子所示)，此時滑移帶很難緩解這種應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。到了700 K時，裂紋尖端的塑性區(qū)域明顯比相對較低的溫度時變大，從而有效的緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，阻礙了裂紋的快速擴(kuò)展，此時結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，因此在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中出現(xiàn)了二次屈服現(xiàn)象。到了高溫900 K時，裂紋在擴(kuò)展時周圍的滑移帶區(qū)域有所減少，這是由于高溫使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了軟化，滑移受阻引起的，但是在裂紋的尖端除了鈍化和滑移帶以外，又出現(xiàn)了位錯和位錯環(huán)新的變形機(jī)制，這也有利于降低內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗拉性能，因此高溫時也出現(xiàn)了良好的力學(xué)性能。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3117413