基于铼掺杂的纳米多晶钨晶界影响区强化机制

摘要

金属材料的强度或硬度在有限的晶粒尺寸内遵循我们熟知的Hall-Petch效应，即强度的增加与晶粒尺寸的平方根成反比，然而在晶粒尺寸减小到纳米尺度的某一定值时，大多数材料反而发生软化，强度随晶粒尺寸减小而降低，多数研究将其归因于晶界(Grain Boundary，GB)的大量迁移，晶界的运动行为很大程度上决定了基体的力学性能。为了克服小尺寸纳米晶表现出的软化、热稳定性差等缺陷，研究者多从提高晶界稳定性的角度出发采取了一系列措施并取得了不错的效果，如利用合金元素偏聚固溶、改变晶界在空间中的分布状态等。事实上晶界本身的稳定性与其附近区域的状态有密切的联系，在对纳米晶材料的研究中应该将晶界及其附近的区域视为一个整体，即考虑晶界影响区(Grain Boundary Affected Zone，GBAZ)的影响，该部分的形变行为不同于单纯的晶界和晶粒内部，但目前围绕晶界影响区展开的研究还很少。　　在高温服役环境中，相比于纯钨(W)，钨铼合金由于铼(Re)的加入拥有更高的强度和更强的塑性，即使在纳米尺度也具有良好的热稳定性，在前期研究中，我们发现Re在晶界影响区掺杂会对其高温力学性能起到明显的强化作用，可内在的作用机理至今仍不明确，因此为了研究Re原子在纳米晶W基体的有效强化位置及强化机理，本文用Voronoi算法构建晶粒尺寸为16nm的纯纳米多晶W薄膜作为初始模型，使Re原子随机固溶在GB、GBAZ10(晶界及附近10?)、GBAZ20(晶界及附近20?)区域，并建立对晶粒整体随机固溶的对照模型。随后选用EAM势函数，采用分子动力学模拟方法，研究Re原子固溶位置对各模型高温拉伸、摩擦、冲击、疲劳性能的影响机制。　　模拟结果表明：高温下，从晶界到晶界影响区再到晶粒内部，原子的应变程度呈递减的趋势，晶界是最容易发生破坏的部位。铼原子在晶界、晶粒内部、晶界影响区均可提高基体W的高温强度和塑性，而Re原子的浓度及分布情况是影响钨铼合金拉伸、疲劳性能的关键，晶界影响区Re原子浓度越高，该部位原子能够承受的应变程度越大，抵抗裂纹产生的能力越强，使得晶界在滑移过程中受到的阻力更大，抵抗裂纹萌生及扩展的能力越强。　　随后选用GGA-PBE交换关联泛函，采用第一性原理计算的方法探究Re对于W基体和W∑5(310)晶界处电子结构的影响。发现固溶Re原子不仅能强化晶界，还可以加强其与附近区域的联系。而在晶界附近区域进一步固溶Re，对晶界还有进一步的强化作用，同时也能起到增大掺杂区域原子间电荷密度、减小键布居数、降低共价性的作用，改善基体脆性，使得强度、塑性均得以提高。　　传统观念将纳米晶粒仅视为2-3个原子间距的晶界和晶粒内部的复合体，而本文提出晶界影响区的重要作用，研究结果表明该区域中固溶原子对基体的力学性能也起到不可忽视的作用，本文的研究有助于进一步认识纳米晶固溶强化机制，为开发新型固溶型合金及晶界改性工艺起到较好的启发作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 钨及钨基材料研究现状

1.3 晶界影响区研究现状

1.4 分子动力学模拟方法在纳米晶力学性能研究的应用

1.5 本文研究内容及路线图

第2章 分子动力学、第一性原理计算原理简介

2.1材料计算模拟概述

2.2 分子动力学计算基本原理

2.2.1 积分方法

2.2.2 边界条件

2.2.3 粒子系综

2.2.4 温度、压力控制方法

2.2.5 作用势函数

2.2.6 结构分析方法

2.2.7 分子动力学计算的一般步骤

2.3 第一性原理计算基本原理

2.4 多晶建模原理介绍

2.5 计算软件介绍

第3章 Re原子固溶位置对W拉伸及摩擦性能的影响

3.1 模拟方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 弛豫后各部位结构区别

3.2.2 拉伸过程分析

3.2.3 摩擦过程分析

3.3 本章小结

第4章 Re原子固溶位置对W冲击及疲劳性能的影响

4.1 冲击模型与方法

4.2 冲击过程分析

4.3 疲劳过程分析

4.3.1 模型建立与模拟参数

4.3.2 应力应变过程分析

4.4 本章小结

第5章 晶界及其附近区域强化机理研究

5.1 体相电子结构与宏观力学性能研究

5.1.1 超胞模型建立与参数验证

5.1.2 Re对于W超胞电子结构的影响

5.1.3 Re对于W弹性系数的影响

5.2 晶界电子结构研究

5.3 本章小结

结论

研究不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文