α铁中刃型位错与晶界相互作用的分子动力学模拟(2)
目前公认的观点是：辐照引起材料的显微组织发生变化，从而使材料产生硬化，并最终导致材料的脆化。目前的研究结果表明反应堆压力容器用钢经中子辐照后产生的显微组织缺陷主要包括三种类型：(1)富铜原子团簇（Copper-enriched clusters）；(2)基体缺陷（Matrix damage）；(3)P元素在晶粒边界的偏聚。富铜原子团簇是由Cu、Ni、Mn、Si等原子组成的2-3nm大小溶质原子缺陷团，基体缺陷主要是空位型缺陷，包括空位团、自间隙原子团、以及溶质原子-空位团簇等[6-8]。由于富铜原子团簇和基体缺陷的产生，阻碍材料中位错运动，从而引起材料的硬化，并最终发生脆化，由此类缺陷导致的材料辐照脆化属于硬化型脆化。而P在晶界偏聚弱化了晶界强度，使得断裂沿晶界更容易发生，由此而产生的材料脆化属于非硬化型脆化。尽管目前西方国家反应堆压力容器钢（如A533B、A508-3等）中都含有P元素，但已有研究表明磷的偏聚引起的非硬化型脆化机制在辐照条件下并不容易发生，因而不是反应堆压力容器钢辐照脆化研究的关注重点。
富铜原子簇导致的硬化问题已经研究得很多。然而基体缺陷及缺陷的相互作用问题相当研究得较少。本课题主要运用分子动力学模拟方法来研究α铁中刃型位错与晶界的相互作用，具体方法是在Bcc-Fe基体中分别生成位错和晶界，计算晶界在拉伸条件下的断裂能，然后对外力条件下位错的运动及与晶界的相互作用进行分子动力学模拟，对模拟过程中体系内原子运动的情况进行直观观察和数据统计分析，总结晶界与Fe中位错的运动和相互作用情况。
1.2晶界的概念
实际使用的金属几乎都是多晶体。多晶体中各晶粒之间的交界称为晶界。多晶体的性能既与晶体结构有关，又与晶界结构有关。晶界结构如图1-1所示。
图1-1 晶界结构示意图
1.2.1晶界对材料的影响
晶界在以下三个方面对材料的性能有影响：①晶界结构。晶界结构复杂，多种多样，所以晶界性质也各不相同。小角度晶界与大角度晶界性质不同，大角度晶界中的孪晶界与紊乱晶界性质也不相同。晶界上的空位，间隙原子，位错，旋错，偏聚或偏析等缺陷都会导致晶界性质发生变化。②晶界的几何形状。晶界是面缺陷，对于一颗晶粒的晶界面而言，晶界是三文空间面，几何形状复杂，存在弯折和台阶，走向也不同，晶界几何形状对材料性能有直接影响，例如晶界位向相同，但走向不同时晶界能以及晶界受腐蚀的情况将发生很大变化。③晶界未向。晶界位向取决于相邻晶粒的位向差，用具有不同位向的两颗晶粒式样进行试验，结果表明，晶界滑移，腐蚀，沿晶断，偏聚或偏析等的程度显著不同[1]。
1.2.2小角晶界
根据相邻两晶粒间位向差的不同将晶界分为小角晶界和大角晶界。位向差小于15°的称为小角晶界，大于15°的称为大角晶界，两者差距很大。
1.2.3大角晶界
大角晶界就是在光学显微镜下观察到的多晶体晶界，原子排列示意如图1-2所示。对大角度晶界的描述有重合点阵晶界理论，O点阵理论，密排面晶界理论等。本文采用重合点阵理论建立晶界模型。
重合点阵晶界最初在金属二次再结晶织构中发现，之后在金刚石晶界，闪锌矿晶界中也发现其存在。场离子显微镜应用后，直接证明了重合点阵晶界的存在。重合点阵晶界的存在证明，大角晶界结构是由原子排列紊乱部分与规则部分组成。相邻晶粒转到一定角度时出现的点阵重合数不相同。重合点阵扭转晶界模型如图1-3所示。
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