鐵素體合金鋼是目前在核能工程界應(yīng)用最為廣泛的一種金屬結(jié)構(gòu)材料,而以滲碳體和鐵素體基體構(gòu)成的層狀珠光體是鐵素體合金鋼中常見的金相結(jié)構(gòu).深入理解輻照效應(yīng)對層狀珠光體力學(xué)性能的影響對高輻照條件下鐵素體鋼的材料設(shè)計(jì)與壽命評估有著重要的理論參考意義.基于以上考慮,論文采用分子動力學(xué)（MD）模擬,研究了連續(xù)低能鐵原子級聯(lián)碰撞對滲碳體/鐵素體兩相界面的破壞情況,探討了經(jīng)歷不同程度級聯(lián)碰撞的兩相結(jié)構(gòu)在單向拉伸以及壓縮荷載下的初始屈服情況.通過對原子模擬結(jié)果的深入分析,得到了以下主要結(jié)論:（a）輻照會破壞滲碳體/鐵素體兩相界面的失配位錯結(jié)構(gòu),引起滲碳體的分解,并促進(jìn)碳原子向鐵素體的擴(kuò)散;（b）在單軸拉伸荷載作用下,級聯(lián)碰撞會使初始屈服機(jī)制由{112}<111>位錯滑移系的開動轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕輬F(tuán)簇附近位錯環(huán)的形核與長大;（c）在單軸壓縮荷載作用下,級聯(lián)碰撞會使初始塑性變形機(jī)制由{110}<111>滑移系的開動轉(zhuǎn)變?yōu)閧112}<111>滑移系的開動;（d）在單軸拉伸和壓縮情況下,級聯(lián)碰撞（及輻照效應(yīng)）都會提高珠光體的初始屈服應(yīng)力.論文的研究結(jié)果為鐵素體合金鋼的輻照硬化和輻照脆化... 

【文章來源】：固體力學(xué)學(xué)報(bào). 2020,41(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

對滲碳體/鐵素體界面的級聯(lián)原子碰撞模擬示意圖

圖3給出了體系經(jīng)歷不同次數(shù)的級聯(lián)碰撞和弛豫過程后,滲碳體/鐵素體兩相界面的構(gòu)型.為了更加清楚地反映兩相界面構(gòu)型的變化,圖中只顯示與界面距離小于1 nm并且原子勢能高于-4.1 eV的原子.和Kim等[20]和Shimokawa等[13]的結(jié)果一致,未輻照的滲碳體/鐵素體界面由兩組相互垂直的位錯陣列(或界面失配位錯網(wǎng)絡(luò))構(gòu)成.其中沿X方向界面位錯陣列的間隔為7.7 nm,沿Z方向的界面位錯陣列間隔為7.9 nm.這兩組失配位錯都是刃位錯;以鐵素體單胞的晶向來定義,它們的柏氏矢量分別是 b 1 =[1 1 ˉ 0] 和 b 2 =[ 1 ˉ ? 1 ˉ ? 1 ˉ ] .為了敘述方便,下文中這兩種位錯分別被稱為界面位錯b1和b2.圖3結(jié)果顯示,隨著級聯(lián)碰撞次數(shù)的增加,界面位錯陣列的有序結(jié)構(gòu)逐漸被破壞.級聯(lián)碰撞效應(yīng)除了破壞界面位錯構(gòu)型,還會在界面附近形成輻照缺陷.圖4給出了沿鐵素體[111]晶向觀察的經(jīng)歷40次級聯(lián)碰撞的珠光體界面附近所有類型輻照缺陷.為了更加清楚地顯示這些輻照缺陷,圖4(a)中 刪去了完美晶格的鐵原子,而圖4(b)只顯示原子勢能大于-4.2 eV的鐵原子,并且在兩幅圖中特意放大了碳原子的大小.所形成的輻照缺陷可以分為間隙型缺陷和空位型缺陷,間隙型缺陷的特點(diǎn)是局部的原子勢能較高.圖4中可見三種不同類型的間隙型缺陷.第一種是如圖4(b)紅圈內(nèi)所示的啞鈴狀間隙子(dumbbell interstitials),這種間隙型缺陷是由一對沿<110>方向排布的間隙原子構(gòu)成.第二種是如圖4(b)中黃圈所示的雙啞鈴狀間隙子,由兩個沿<111>方向排布的啞鈴狀間隙子構(gòu)成.第三種是如圖4(b)中綠圈所示的,由四個軸向?yàn)?lt;111>方向的擠列子(crowdions)形成的團(tuán)簇,也可以看成是一個小型的間隙型原子環(huán).另外,圖4(a)中藍(lán)圈所示結(jié)構(gòu)是單個空位,這種空位型缺陷會造成周圍原子的配位數(shù)變化,但不會明顯增加它們的勢能.

從圖4(a)中可以觀察到有一部分紅色的碳原子在級聯(lián)碰撞后脫離滲碳體進(jìn)入了鐵素體層.該現(xiàn)象意味著輻照效應(yīng)有促進(jìn)滲碳體分解的效果.對模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了進(jìn)入鐵素體層的碳原子的三種存在方式:第一種是單個空位結(jié)合形成替代碳原子(substitutional carbon atoms).圖4(a)藍(lán)色虛線圈中的碳原子就是一個替代碳原子,它并不會破壞周圍鐵原子的晶格對稱性.第二種是如圖4(a)中紅色虛線圈所示的占據(jù)鐵原子晶格間隙位置的間隙碳原子(interstitial carbon atoms),大多數(shù)的間隙碳原子被發(fā)現(xiàn)占據(jù)著鐵原子晶格中的八面體間隙位置.第三種碳原子跟鐵素體中<111>型間隙原子團(tuán)簇結(jié)合,形成圖4(a)中黑色虛線圈所示結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的間隙-碳原子復(fù)合體.圖5 (a)(b)未輻照的珠光體試樣在拉伸應(yīng)變?yōu)?.5%時,由兩個不同視角觀察到的界面原子構(gòu)型;(c)應(yīng)變?yōu)?.7%時的界面附近原子構(gòu)型.圖(a)-(c)中均刪去了完美晶格的鐵原子,原子根據(jù)Y方向坐標(biāo)著色


本文編號：3442383