纯W中位错与晶界相互作用机制研究(2)
5.1 位错与晶界相互作用模型 25
5.2 纳米压痕作用下位错与晶界作用模型 27
结 论 31
致 谢 32
参考文献33
1 绪论
1.1 课题研究目的及意义
钨是稀有金属，也是重要的战略物资。金属钨具有高熔点，高强度，高硬度的特点。钨的用途十分宽泛，常常用于制造硬质合金及应用于耐高温合金方面，另外，它也是曾经电灯产业一度主导的产品原料。而且金属钨因其良好的力学性能被军事工业所青睐，是生产特种钢的常用材料之一。核聚变是几个原子核聚合成一个原子核的过程，会释放出比裂变能更大的聚变能。作为人类未来的新能源，它具有核裂变不可比拟的优势。核聚变原料丰富，核聚变中所需的氘和氚几乎是无限的，氘可从海水中提取，因而这种资源及其丰富。核聚变无放射性污染，聚变产物本身没有放射性，反应堆只产生了一些容易处理的短寿命放射性物质，而核裂变的废物是高放射性的，难以处理的。然而氘氚混合聚变的温度要求是一亿度以上高温，在这样高的温度下，氘氚原子中的的电子和和原子核完全脱离，各自独立运动，形成“等离子体”。需要有效的技术方法，收容高温等离子体，防止其逃逸或飞散。可以利用强磁场约束带电粒子，但在磁约束装置和高温等离子中间，需要有一个隔离层，一方面保持等离子体温度等条件能达到聚变反应的要求，一方面保护磁约束等装置不受高温等离子体的影响和破坏。在这一隔离层最靠近等离子体的一侧表层，是服役环境最恶劣的所谓面向等离子体材料(PFM)。在聚变反应堆中，PFM的工作特点是：受等离子体冲刷腐蚀、承受很大热负荷、高能中子辐照、高温。综合考虑这些因素，我们对比其他材料，发现钨及钨合金是作为PFM的最好材料。因为与其他材料对比，钨和钨基合金具有较高的热导率，低的溅射产量和高溅射阈值，低蒸汽压、低氚滞留能力，抗热冲击，热负荷能力高。学术界广泛认为其是核聚变反应堆中最具有前途的等离子体隔离材料，目前对于钨的结构、性质、力学行为、辐照损伤行为等的研究正在成为核材料研究的热点，尤其是在原子尺度研究它的结构演变行为，对于理解该材料具有重大意义。
晶界是一种复杂的微结构，是位错运动的障碍，其定义是同种材料不同取向的两晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列是处于过渡状态的，这是因晶粒取向从一个取向过渡到了另一个取向，晶粒之间直接接触的界面即为晶界。位错与晶界的交互作用会对材料的形变和断裂行为产生很大影响。然而，目前国内外对钨的这方面的研究还比较罕见。位错与晶界的交互作用的方式是非常丰富的，作用机理是非常复杂的，并且会产生不同的结果，如位错可能堆积在晶界处、或直接穿透晶界，被晶界吸收等，另外晶界还可能会发射位错。那么，研究位错与晶界交互作用机制显得迫切而必要。
本研究通过原子尺度的计算机模拟手段，模拟BCC结构的纯钨中位错与晶界的相互作用。在原子模拟过程中模拟单个位错以及通过其他方式产生大量位错与晶界相互作用的过程。通过拉伸试验得金属钨的晶界的原子位置，晶界强度等性质，并利用上述两种方式构建位错与晶界相互作用，得出晶界位错发生的变化，例如原子位置，晶格畸变等，从而为更大尺度的模拟供一提些基础数据。
1.2 晶体的晶界模型
1.2.1 晶体的界面结构
晶界的结构及其性质和相邻晶粒的取向差有很大关系，若两相邻晶粒位向差 较小，小于约10°时，则为小角度晶界；若两相邻晶粒位向差 较大，一般在10°以上，则为大角度晶界。小角度晶界一般有两种类型，分为倾斜晶界（tilt boundary）和扭转晶界（twist boundary），两种晶界示意图如图1-1所示。
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