双晶Fe拉伸性能及裂纹扩展的原子模拟(2)
6.4本章总结49
结论51
致谢52
参考文献53
1.1 课题研究目的及意义铁已被人类使用超过 2000年，钢材被广泛应用于日常生活，科技，建筑中，成为国家建设和实现四化必不可少的重要物资。一般常用的钢铁材料根据用途可分为结构钢、工具钢、弹簧钢、铸铁等种类。钢材的断裂条件对它的应用有非常大的影响。不同扩展行为下的裂纹断裂条件也不同，因此研究不同类型的晶界时如何影响裂纹扩展是非常重要的。晶界（GB）、位错与晶界的交互作用在铁材料中是影响形变和塑形断裂行为最重要的因素。同种材料中某一部分的原子以某一个取向排列在界面上，由这个取向过渡到另一个部分的另一个不同的取向，处于过渡状态的原子中，将相互直接接触的界面称为晶界。在原子尺度上的模拟或者是实验室观察都证实了晶界是位错运动和裂纹扩展的障碍。更小的晶粒尺寸需要施加更大应力，才能使位错或者微观裂纹从一个晶粒内部穿越晶界生长进入另一个晶粒内部。晶界在提高金属材料的强度上起重要的作用，而位错与晶界的交互作用方式丰富，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，另外在晶界处还会发射位错。那么，研究晶界处的特征和行为是一个很重要的命题。计算机模拟法的出现和它的不断发展，有关铁在原子尺度上的研究也有了一系列成果。分子动力学就是其中一种计算机模拟手段，它在原子尺度上，模拟单个或大量位错与晶界相互作用的微观过程。本文通过 MD 计算机模拟法研究了沿倾转轴[100]、[110]和[111]三个方向的 42个晶界，其晶界能与倾转角的关系。选取其中典型的七种晶界，研究拉伸过程、裂纹扩展过程结构变化。通过对比有无晶界，不同温度、不同应变速率对裂纹的扩展与扩展的影响，为今后铁的机械性能以及服役行为提出参考。
1.2 晶体的界面结构用位相差为θ的两个晶粒和晶界与一个点阵或某一个平面的夹角Φ来确定晶界位置，一般来说，空间点阵中的晶界具有五个自由度。 一般将晶界根据相邻晶粒之间位相差θ角的大小不同分成两类：（1） 小角度晶界——当相邻晶粒位相差小于 10˚时的晶界，一般指角度小于 2˚的亚晶界。按相邻亚晶粒之间位相差的型式的不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界（tilt boundary）、扭转晶界（twist boundary）和重合晶界等；晶界（GB）的本质是面缺陷，GB 与位错等缺陷、杂质的交互作用对多晶体的力学行为如塑性变形，以及强度、脆性等产生巨大影响。晶界上间隙原子、空位、位错、偏聚和偏析等致使晶界物理性质发生改变；不同形状和取向的晶界有不同的晶界能、受力和腐蚀情况，并对位错运动的阻碍作用也不同。晶界处存在较多的缺陷， 例如空穴、 位错和杂质原子等。 微观上晶界处原子排列不规则、点阵畸变大，晶界能升高，相对于内部原子，晶界处原子处于不稳定状态，晶界处的原子扩散速度也快得多，所以晶界的腐蚀速度也快得多。一般通过温度升高和保温时间增长，通过原子的扩散，使晶粒长大和晶界平直化。这样能减小晶界面积，降低晶界总能量。在常温情况下，晶界存在对位错的运动起阻碍作用，晶界较晶内具有更高的强度硬度，材料塑性变形抗力提高。晶粒越细，材料强化程度越高（细晶强化）；高温下相反，温度升高，晶界产生一定的粘滞性，使相邻晶粒产生相对滑动，不能起到阻碍作用。1.3 重合位置点阵模型（CSL）利用离子显微镜研究晶界，建立提出了大角度晶界的“重合位置点阵”模型。如图 1.2，两组相互重叠的点阵作相对平移或旋转操作，当达到一定的位置时，有些点阵相互重合，这些重合点阵构成的特殊点阵称为重合位置点阵。图1.2是立方晶体的（001）面沿逆时针旋转30°，最后得到沿[001]倾转轴的投影图。