金屬材料微觀缺陷演化及相互作用的多尺度原子模擬.pdf

1、晶體金屬材料的力學(xué)性能及抗輻照性能與微觀缺陷的演化及其相互作用息息相關(guān)。一方面研究人員需要獲得原子級(jí)別的信息，進(jìn)而在微觀和介觀的尺度上探討此類問(wèn)題;另一方面由于熱激活機(jī)制的存在，此類問(wèn)題在時(shí)間尺度上的大跨度催生了許多理論模型和技術(shù)應(yīng)用，用以彌補(bǔ)分子動(dòng)力學(xué)因時(shí)間步長(zhǎng)限制帶來(lái)的固有缺陷。隨著納米科技的發(fā)展，人們意識(shí)到許多在宏觀尺度并不顯著的微觀機(jī)制在材料的特征尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)會(huì)變得至關(guān)重要，尤其是在滑移系之間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制復(fù)雜的密排六方晶體結(jié)構(gòu)

2、金屬當(dāng)中尤為明顯。同時(shí)，在納米孿晶備受關(guān)注的今天，位錯(cuò)與孿晶界之間的相互作用也被證明與材料的率敏感度直接相關(guān)，進(jìn)一步彰顯出晶界所致的滑移系轉(zhuǎn)換的重要性。此外，在核工業(yè)中備受關(guān)注的材料抗輻照性能的提升與晶界密度很高的納米層狀結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。而輻照誘發(fā)的過(guò)飽和點(diǎn)缺陷在與位錯(cuò)的相互作用中也體現(xiàn)出其對(duì)材料力學(xué)性能的影響。綜上所述，本文針對(duì)微納米尺度塑性、晶界強(qiáng)化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輻照損傷的自我愈合、以及熱激活機(jī)制參與的低應(yīng)變率/高溫塑性四個(gè)子課題，分

3、別采用分子動(dòng)力學(xué)、分子靜力學(xué)，以及跨時(shí)間尺度原子模擬技術(shù)進(jìn)行了研究。研究對(duì)象涵蓋位錯(cuò)、孿晶界、空位和間隙原子。涉及的材料分別有密排六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂及鋯、體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵。主要研究工作及取得的進(jìn)展如下:
　　1.針對(duì)密排六方金屬鎂在微納米尺度下的位錯(cuò)塑性進(jìn)行了模擬和探討。主要著眼于錐面位錯(cuò)的分解形式，并驗(yàn)證微米柱壓縮下“孿晶缺失”的現(xiàn)象。此工作遵循“體系在當(dāng)前勢(shì)函數(shù)下于受限滑移面上找到最優(yōu)剪切運(yùn)動(dòng)路徑”的思路，發(fā)現(xiàn){1

4、0(1)1}面上的位錯(cuò)因其分解形式較之{11(2)2}面上的更易啟動(dòng)，這與相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)觀察以及三維模擬下的結(jié)果一致;同時(shí)證實(shí)了鎂的微納米壓縮過(guò)程中的孿晶缺失現(xiàn)象。
　　2.選擇密排六方金屬鋯作為研究對(duì)象，結(jié)合反應(yīng)中的具體缺陷構(gòu)型變化探討了螺位錯(cuò)及刃位錯(cuò)與常見的兩種孿晶界的相互反應(yīng)。研究表明界面與位錯(cuò)反應(yīng)需要考慮兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并揭示了孿晶位錯(cuò)對(duì)此類反應(yīng)的貢獻(xiàn);發(fā)現(xiàn)了螺位錯(cuò)與{10(1)1}孿晶界反應(yīng)中前人未曾注意到的、與鎂和

5、鈦模擬結(jié)果不同的細(xì)節(jié);發(fā)現(xiàn)了刃位錯(cuò)被{10(1)1}孿晶界轉(zhuǎn)換為界面位錯(cuò)鎖連帶錐面層錯(cuò)的現(xiàn)象;并從四個(gè)模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較中發(fā)掘其能量積累的差異，概括出與進(jìn)一步的三維模擬及實(shí)驗(yàn)觀察相關(guān)的信息。
　　3.以體心立方金屬鐵中對(duì)稱傾斜晶界所致的間隙原子發(fā)射機(jī)制的勢(shì)壘為出發(fā)點(diǎn)，探討了兩種長(zhǎng)時(shí)間尺度下的晶界誘發(fā)點(diǎn)缺陷湮滅機(jī)制的異同，從幾何角度分析和能量角度分析將兩種機(jī)制歸為一類。不僅提供了發(fā)射機(jī)制的詳細(xì)演化路徑及過(guò)渡態(tài)的原子構(gòu)型，同時(shí)通

6、過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的空位躍遷機(jī)制探討了晶界影響范圍在納米層狀結(jié)構(gòu)中的修正，并基于界面結(jié)構(gòu)的能量及應(yīng)力分布去理解晶界如何影響材料的輻照損傷自我愈合機(jī)制。
　　4.探討了體心立方金屬鐵中自間隙原子簇與刃位錯(cuò)在低應(yīng)變率和高溫下反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。研究給出自間隙原子簇作為障礙物對(duì)位錯(cuò)滑移的阻礙作用，并揭示其受到熱激活擴(kuò)散機(jī)制影響的機(jī)理;成功模擬出了低應(yīng)變率下的位錯(cuò)攀移現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了高應(yīng)變率及低溫下導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難（臨界剪切應(yīng)力更高）的一種“弱釘