FeCr多晶合金拉伸行为的分子动力学模拟.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期 多晶合金拉伸行为的分子动力学模拟梁珍瑛，杜风娇，刘建刚，林 权（武夷学院机电工程学院 福建 武夷山）【摘摘要要】作为金属材料中一类重要缺陷，晶界可以与其他重要微观缺陷反应，影响并控制着 合金的力学性能。通过建立了不同 含量的 合金二维多晶的原子模型，基于经典分子动力学计算了其体积模量和剪切模量，与实验结果进行了对比；进一步对模型进行了室温下拉伸加载，分析了极限拉伸应力与 含量的关系以及变形机制。研究结果表明，分子动力学计算的体模量和剪切模量与实验值接近；含量为 时 合金的极限拉伸强度最大；不同组分下 合金的破坏机制均为孔洞在三叉晶界处形核。【关关键键词词】合合金金；体体积积模模量量；原原子子模模型型；极极限限拉拉伸伸强强度度【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】（）基金项目：福建省中青年教师教育科研项目“新型仿生齿廓的齿轮传动设计研究”（）；武夷学院教育教学改革研究与实践项目“理论力学”（）。作者简介：梁珍瑛（），女，河南许昌，硕士，讲师，研究方向：机械结构设计及分析。引言以 为基底的富 合金广泛应用于基建、汽车和航天领域，在不锈钢材料中发挥着重要的作用，尤其是在高温应用领域。由于 合金优异的几何稳定性，抗腐蚀和抗氧化性能，其可以作为核聚变反应堆的主要结构材料。核反应堆的内部材料一般处于中子和质子连续的辐照环境下，这些高能粒子对晶格的冲击会引起级联反应，造成材料结构内部产生大量微观缺陷，例如点缺陷、空位、位错环等。这些微观缺陷进而阻止位错的运动，造成材料的硬化，从而减少材料的服役时间。不同温度下的缺陷积累的实验表明，合金中位错环在辐照下成核并缓慢生长，尤其是在较低温度下；升高温度会使位错环的面积更大、密度更低。添加 可以使位错环的成核和生长得更快，并且位错环的密度随着温度的升高而降低，同时位错环的尺寸增加。这意味着 对缺陷稳定性有很大影响。中的缺陷在温度大于 时开始收缩或消失；然而当添加 时，实验观察到位错环的收缩和运动被显著抑制。由于原子尺度下实验的限制，研究人员开展了针对 合金中的点缺陷和位错环的模拟工作。例如，吴喜军等对 合金中 原子与空位以及间隙原子的结合能研究表明 原子与合金中第一近邻空位的结合能最低（）。贾丽霞等利用分子动力学和迈氏蒙特卡洛方法对不同温度不同 浓度下的 合金 在位错环上的偏析行为进行了研究，结果表明位错环引起的应力场可以促进 在位错环外围进行偏析，而且位错环的类型和尺寸对 的偏析浓度没有显著影响；浓度的增加可以提升 的偏析量，而温度的升高则会使这一趋势降低。绳淦文等采用 反应分子动力学对原子尺度下 合金的氧化过程进行了模拟研究，揭示了与实验观察结果一致的内层 氧化膜形成机制。以上研究主要集中在点缺陷和位错对 合金的力学行为影响，实际应用中主要为多晶合金，其中晶界起着重要作用：晶界可以吸收或者发射点各类晶体缺陷，例如点缺陷和位错。晶界与其他缺陷之间的作用对材料的力学行为有着本质的影响，因此，研究 合金的多晶合金可以帮助理解晶界对其力学行为的作用。本文基于分子动力学，对 合金二维多晶体进行了建模，研究了不同 含量的 合金（）的弹性性质以及拉伸变形行为，分析了 含量对合金极限拉伸强度的影响；通过对变形过程中原子结构的分析，研究了其破坏机制。研究方法 模型建立为了研究 合金的拉伸力学性能，本文采用了 方法建立了 二维多晶模型。首先建立晶向为，的纯铁体心立方结构（，）原胞，控制晶粒的数量以原胞作为种子点生成不同的晶粒。最后通过随机替换不同比例的 原子生成 合金。图 为生成的多晶模型，采用了 软件进行可视化。如图 所示，晶粒在 平面内的晶向和位置随机，方向为 方向。本文基于共近邻原子分析（，）方法分析了多晶结构，白色原子表示该原子为非晶体无序结构，在图中即为晶界位置，蓝色原子表示 结构。本研究随机生成了 个晶粒，晶粒的位置和取向随机，模型共包含约 万原子。为研究不同 组分对 多晶拉伸力学行为的影响，生成了 种不同组分的 合金。（，和）。模拟方法原子尺度的模拟手段主要为第一性原理计算，分子动力学（，）与蒙特卡洛方法。为了掌握原子尺度下材料的变形机制，本研究采用了经典 模信息记录材料 年 月 第 卷第 期图 多晶原子模型拟方法，使用了开源代码。分子动力学的准确度依赖于其所使用的力场（又称势函数），嵌入原子势（，）被广泛应用于金属的力学性能模拟。本文采用了 等开发的 势，该势函数可以很好地预测 合金的点缺陷能量，位错结构以及热力学行为。势作用下，单原子 的能量如式（）所示：（）()（）（）其中 为原子 和 之间的距离，为对势函数（其中 和 表示 原子种类），为 原子种类的电子密度分布，为嵌入势函数。为了研究 合金在室温（）下的拉伸力学响应，先将模型升温至 并至于等温等压（）系综下弛豫 ，该步骤的目的是为了消除引入晶界时模型产生的内应力并获得热力学平衡态的晶界构型。接下来对模型进行拉伸加载，采用了应变加载方法并设置应变率为。对模型的三个方向施加了周期边界条件使其更接近整块体材料在真实情况下的力学性质，拉伸过程中使用 系综，利用 热浴控制系统温度，施加 方向的应变并保持 和 方向的压力为 。动力学采取了 积分方法，时间步长设置为 。模拟结果及分析 弹性模量据已有实验观测，合金的性能极大程度上取决于 的含量。因此，浓度的变化对 合金的微观结构及其力学行为有着显著的影响。为了研究 在极端辐照环境下的力学性能，基于 下不同 组分的平衡后的构型，计算了 合金在室温下的弹性模量，并与实验和理论计算结果进行了对比。在经过 弛豫时间后，多晶中的 个小角度晶界转化为均匀排列的位错墙，与现有理论结果相符合。进一步通过施加小弹性变形，并计算出模型的应力应变关系，从而获得了体模量（，）和剪切模量（，）。由于多晶材料内部晶粒的随机性，其常被考虑为各向同性材料，故只需两个相互独立的材料常数。本文采用了体模量和剪切模量，此外常用的杨氏模量（）和泊松比（）可以通过式（）进行转换。，（）如图 所示合金体模量和泊松比随着 含量增加的变化趋势。对于体积模量在 组分为 时，本文的计算结果和实验结果误差小于。组分为 时，其变化趋势相反，但误差仍小于。密度泛函理论（）计算结果趋势与本文的计算结果趋势相同，误差稳定在约为。理论计算结果呈现出先下降后上升的趋势，与本文预测趋势差距较大。剪切模量随着 含量的增加而降低，呈现出近似线性关系，含 量为 时剪切 模量降低了 （），。和实验的预测结果均为剪切模量随着 含量的增加而增大。本文的预测结果与实验结果整体误差均小于。本文对体模量和剪切模量的预测整体误差较小，证明了势函数的可靠性。注：表示本文的分子动力学计算结果；为文献中的实验结果；表示 理论计算结果；为密度泛函理论计算结果。图 体积模量和剪切模量随着 含量增加的变化趋势 拉伸加载下的应力应变响应基于 下平衡后的构型，对不同 组分的 合金进行了拉伸加载，获得了应力应变响应。图 给出了不同 组分 合金的应力应变曲线。图 不同 组分下 合金的工程应力应变曲线首先，可以看出拉伸变形过程中的共同点：不同组分的 合金首先进入弹性变形阶段，在应变为 左右时弹性能突然释放，开始发生塑性变形。其次，不同的浓度的 对于 合金的拉伸力学响应有着明显的影响。从纯 到 组分的合金随着 含量的增加其弹性应变逐渐增加，对于 和 组分的合金其弹性应变反而降低。在塑性流动阶段，其流动应力水平变化并无明显规律。信息记录材料 年 月 第 卷第 期对应力应变的最高点进行提取，得到了不同 组分下的 合金的极限拉伸强度（，）和最大拉伸应变（，）。图 给出了 合金的 和 随着 组分增加的变化趋势。图 合金的极限拉伸强度和最大拉伸应变随 组分增加的变化趋势随着 组分的增加，和 呈现出先增加后减少的趋势。在 组分为 时 和 最大，为 ，相对于纯铁的 增加了 。继续增加 的组分则会使得 减小。例如在 含量为和 时，约为 ，相对于纯铁的 减少了 。由此可见，适当的增加 的含量可以增强 合金的极限拉伸强度，然当含量等于或超过 时，合金强度会迅速降低。拉伸变形微结构演化对拉伸过程中的变形进行进一步分析，基于变形过程中没有发生相变，因此可以使用非体心立方结构的无序原子比例来表示晶界原子比例。基于 软件，分析了不同 组分 合金在拉伸过程中无序原子的比例，见图 所示。图 不同 组分下缺陷原子比例随应变的演化趋势在应变为零的状态下，和 的多晶合金中无序原子比例高于其他组分的合金。这是因为大量的引入 原子在平衡过程中与晶界作用，使得晶界结果更加无序。持续的增加应变至 左右引起无序原子的跳跃式增长，这里开始了大量的位错发射和晶界移动等塑性变形行为。图 为变形过程中 多晶的原子示意图。注：基于 的共近邻原子分析方法绘制，其中蓝色为 结构原子，白色为无序结构原子。每个组分包含四个应变下的原子示意图，对应的应变在每幅图的左上角标出。椭圆形标出了晶粒扩张形成的新晶界，方形为形成孔洞的位置。图 和 组分下 二维多晶的原子变形示意图可以看出在应变为零时，一部分小角度晶界转化为位错墙，随着应变的增加，位错随之移动。位错的移动代表着塑性变形的发生，但由于其数量极少，并未对应力应变曲线产生明显的影响。继续增加应变，塑性变形的主导机制开始作用，即晶粒转动。在图（）和图（）中应变为 时，观察到新的晶界（图中由椭圆形标出）。这是由于应力的增长导致了一些小晶粒的长大，引入了新的晶界。新的晶界继续与晶体中已存在的位错发生反应，引起多晶整个晶界结构网络的持续变化（图，应变 ）。最终空洞在三叉晶界中形核并长大，引起材料的失效。结语本文基于分子动力学计算了不同 组分下（）二维多晶合金的弹性常数并与实验进行了对比，研究了其原子尺度下的拉伸变形行为，分析了其破坏机制。研究结果表明：（）分子动力学计算的二维多晶的体模量和剪切模量与实验式偏差小于，验证了本文使用的势函数的可靠性；（）组分为 时 合金的极限拉伸强度达到最大，随着 组分继续增加极限拉伸强度减小；（）不同组分下 合金的失效机制类似：空洞从最薄弱的三叉晶界处形核。【参考文献】，（）：绳淦文，祁晶，卢平，等 高温蒸气环境中 合金氧化机理的分子模拟研究 中国腐蚀与防护学报，（）：王垚，李春福，林元华 对 合金耐蚀性能影响的电子理论研究 金属学报，（）：郑颖、合金级联碰撞的分子动力学模拟 武汉：华中科技大学，信息记录材料 年 月 第 卷第 期 ，（）：，（）：贺新福，杨文，樊胜 论 合金辐照损伤的多尺度模拟 物理学报，（）：贾丽霞，贺新福，王东杰，等 合金中 含量对微观结构影响的原子尺度模拟研究 原子能科学技术，（）：潘龙，杨奔峰 在 合金中扩散过程的原子尺度模拟研究 科技资讯，（）：吴喜军，肖德涛，李小华，等 合金辐照损伤中点缺陷的分子动力学研究 广西物理，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：（上接第 页）练，主要是根据样本之间的相似度或距离等特征对样本进行聚类，然后对聚类结果进行分类。无监督学习中，最常见的方法是 均值聚类算法。该算法将样本分成 个聚类簇并不断迭代，得出最终的聚类结果。另外，还有一些基于深度学习的分类方法，例如卷积神经网络（）、循环神经网络（）等。这些方法逐渐成为数字图像分类领域中重要的算法，可以在图像分类、目标识别和目标跟踪等方面取得良好的效果。总的来说，不同的分类方法各具优缺点，在实际应用中，需要根据具体的场景和要求进行选择。未来，数字图像的分类和识别将继续受到研究者们的注意，相信在不断的研究和实践中，数字图像的识别与分类技术将得到更好的发展和应用。应用前景与展望随着科技的不断进步，数字图像处理技术的应用范围也在不断扩大。未来，数字图像处理技术将会在医学影像、智能交通、安防监控、工业制造等领域得到更广泛的应用。同时，数字图像处理技术也将面临一些新的挑战和瓶颈。在这种背景下，数字图像处理技术的发展将是一个有机的过程，需要具有持续的创新和不断地拓展。数字图像处理技术未来的发展方向主要包括以下三个方面。多模态融合传统的数字图像处理技术主要针对二维图像处理，在实际应用中，经常需要处理 或者更高维度的数据。在此情况下，多模态融合成为一个必要的解决方案。多模态融合将不同模态的数据进行整合，从而为处理和分析提供更多样化、更全面化的信息。智能化在智能化进程中，数字图像处理技术将会得到更加广泛的应用。例如在人脸识别、视频监控等领域，数字图像处理技术将被应用于实现更加精准、高效、安全的智能化处理。为了实现智能化，需要逐步提高数字图像处理的自主学习、目标识别、信息提纯等方面的能力。大数据处理随着大数据时代的到来，海量数据处理已成为数字图像处理技术发展的一项重要任务。数字图像处理技术可以将图像数据通过算法处理提炼，抽取其中的特征和信息，从而实现更高效、更准确的数据处理。在未来发展中，数字图像处理技术将会更好地应用于大数据的处理、应用与分析中。【参考文献】阮蓬计算机图像处理技术的运用分析中国新通信，（）：阎巍计算机数字处理技术在图像处理中的应用数字技术与应用，（）：乔宝民数字图像处理技术在通信工程中的应用方法探析数字通信世界，（）：吴娟，严妍，焦月华，等 计算机数字图像处理的算法探究与实践 中国新技术新产品，（）：于博文 计算机数字图像处理技术的发展 通讯世界，（）：宋振诠试论计算机数字处理技术在图像处理方面的应用研究电子元器件与信息技术，（）：