應用分子動力學的方法探究了單晶鎢在單軸加載下的裂紋擴展行為。分析了溫度和晶向對裂紋擴展的影響。研究結果表明:在不同溫度下,[001]方向上的裂紋在擴展時尖端主要的變形機制為滑移帶,位錯和鈍化效應。隨著溫度的升高,裂紋擴展時屈服強度是逐漸降低的。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。研究結果表明:裂紋沿[111]方向拉伸時屈服強度最大,[110]次之,[001]最小,而且裂紋在[110]晶向上的平均應力-應變曲線出現(xiàn)了屈服平臺,說明具有良好塑性和抗裂紋擴展特性,其裂紋萌發(fā)時主要的塑性為滑移帶。而[111]方向上的裂紋在擴展過程中主要塑性為位錯,然后裂紋以鈍化空洞的形式擴展。由此得出不同晶向的裂紋在擴展時尖端微觀結構的演變出現(xiàn)了差異。 

【文章來源】：機械強度. 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展機理演變過程。從結構演變圖中可以得到，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]方向裂紋初始擴展時完全不同(如圖3所示)。而且裂紋在擴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行快速擴展，而且在裂紋的尖端還出現(xiàn)了鈍化效應。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制，如圖9所示。從圖中可以得到，裂紋在初始擴展時兩端處沿著[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，此時裂紋兩端的應力集中加劇，內(nèi)部結構完全被損壞，然后裂紋以鈍化空洞的形式快速擴展，直到結構出現(xiàn)斷裂。圖8 鎢在[011]晶向上拉伸時的裂紋擴展

圖2為單晶鎢中裂紋在不同溫度下的應力-應變曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，屈服應力逐漸降低，如表1所示。300 K與500 K時應力隨著應變的增加，經(jīng)過屈服應力之后發(fā)生了突降現(xiàn)象，當應力下降到零時，結構出現(xiàn)了斷裂;而在700 K與900 K溫度下鎢中裂紋的應力應變曲線發(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)出快速擴展，而在700 K與900K時呈現(xiàn)出韌性擴展。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。當有定向載荷加載在材料上時，將會導致材料中大規(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展。圖3～圖6給出了鎢中裂紋在不同溫度下裂紋的擴展機理以及尖端微觀結構的演變過程。圖3顯示在常溫300 K時，鎢中裂紋加載到4.5%的應變時開始擴展，裂紋尖端出現(xiàn)了位錯滑移;隨著應變的逐漸增加，裂紋尖端的塑性區(qū)域逐漸擴大，出現(xiàn)了大量的滑移形變(圖中綠色的原子所示);當應變加載到8%時，裂紋尖端出現(xiàn)了開裂，并以尖端裂紋的形式沿著[110]方向擴展;隨后裂紋在10%的應變時以鈍化的方式(圖中尖端裂紋前沿的白色原子所示)進行快速擴展，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初始擴展時的應變是5%，相對于常溫300K時出現(xiàn)了推遲，主要是由于溫度的升高，結構出現(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制仍然是滑移帶，塑性變形的區(qū)域相對常溫時要多。在應變?yōu)?3%時，裂紋的兩側形成尖端，并開始快速的擴展，裂紋尖端出現(xiàn)了嚴重的應力集中現(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力集中現(xiàn)象，從而導致內(nèi)部結構嚴重破壞。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力集中現(xiàn)象，阻礙了裂紋的快速擴展，此時結構具有較強的抗拉強度，因此在應力-應變曲線中出現(xiàn)了二次屈服現(xiàn)象。到了高溫900 K時，裂紋在擴展時周圍的滑移帶區(qū)域有所減少，這是由于高溫使結構出現(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)新的變形機制，這也有利于降低內(nèi)部的應力集中現(xiàn)象，增強結構的抗拉性能，因此高溫時也出現(xiàn)了良好的力學性能。

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]單晶鎢拉伸分子動力學模擬[D]. 常紅燕.西南交通大學 2016



本文編號：3117413