PuO_2 Σ5对称晶界附近氧的自扩散行为

本文采用分子动力学研究了PuO2∑5对称晶界附近氧的自扩散行为。结果表明:晶界能在较大程度和范围内影响氧原子的自扩散能力,晶界的存在加速了氧原子在其附近的扩散;随着氧原子与晶界界面距离的增加,其扩散能力逐渐降低;氧原子在晶界附近的扩散呈各向异性,其在垂直于晶界界面上的扩散能力大于平行于晶界界面上的扩散能力。

氢原子对非对称Σ5晶界α-铁力学性能影响的模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了在单轴拉伸载荷下,界面旋转角度和氢原子浓度对含有非对称倾斜Σ5晶界的双晶α-铁力学性能的影响.研究结果表明,双晶体的塑性变形主要是通过原始BCC相转变为亚稳态FCC相,再进而转变成新BCC相的过程来实现的,且该变形机制不依赖于氢原子的浓度.氢原子的引入使得双晶α-铁在塑性变形过程中,BCC-FCC的相变更容易发生,但在塑性变形后期氢原子阻碍了FCC相向BCC相的转变.此外,双晶α-铁的峰值应力随着氢浓度的增加而减小.

钨对称倾斜晶界的分子动力学计算模拟

本文通过分析对称倾斜晶界的结构特点,建立了一套基于倒易空间阵点的对称倾斜晶界构建方法,并通过基于嵌入原子势分子动力学模拟研究了体心立方钨不同旋转轴和倾斜角的对称倾斜晶界结构、界面能和分离功。结果表明:在倾斜角或其对应的余角较小的情况下(<20°),随着倾斜角的增大,晶界能增加,说明小角度晶界具有较低的晶界能;而倾斜角较大时,晶界能出现了局域极小值,对应着特殊的大角度对称倾斜晶界,通过界面原子结构确定了其重位点阵参数;不同旋转轴下的对称倾斜晶界的晶界能都不相同,如以[110]和[111]为旋转轴时,体心立方Σ3(112)孪晶界具有最低的晶界能。分离功的结果表明,以[100]为旋转轴的特殊大角度对称倾斜晶界易于断裂,而以[110]和[111]旋转轴的孪晶界Σ3(112)及偏离其一定角度的大角度晶界具有高的分离功,在钨及钨合金的界面结合和断裂强度上起主要作用。

对称倾转晶界纳米双晶铜单向拉伸弹性性能的晶向效应

利用分子动力学方法模拟旋转轴为[0 0 1]的对称倾转晶界双晶铜在单向拉伸变形过程中晶向对材料弹性性能的影响。模拟结果表明,弹性模量对晶界倾角的响应大致关于90°对称,根据响应程度及响应趋势的不同可将倾斜角分为三个区域,Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区,每个区域有各自的转折晶向角,θⅠ、θⅡ和θⅢ。当晶界倾角θ接近90°时应力—应变曲线出现明显的波动,弹性阶段的非线性增强;温度对弹性模量的晶向效应的影响主要表现在Ⅱ区,温度越高弹性模量的变化幅值越小,且突变晶向角θⅡ对弹性模量的影响越不显著;截面尺寸对双晶铜弹性模量的晶向效应影响较小。

体心立方金属对称倾斜晶界的改进分析型嵌入原子法模拟

采用改进分析型嵌入原子法(modified analytical embedded atom method,MAEAM),从原子尺度对体心立方(body-centered cubic,BCC)金属Li在以[001]为旋转轴的对称倾斜晶界(symmetrical tilt grain boundary,STGB)中的结构和能量进行了计算机模拟.结果表明,刚性结合的对称倾斜晶界面附近的原子距离非常近,从而导致能量异常高.所研究的27个晶界面两晶粒间的相对平移均可降低晶界能,最小晶界能出现在特定的平移距离处,且随重合密度倒数Σ增加而振荡增加,随相对面间距ad增加而减小,3个最低能量的晶界面依次对应于(310)、(530)和(510).由能量最小化原理知这些晶界面将依次择优出现.

Li-(210)对称倾斜晶界面结构与能量的计算机模拟

采用改进分析型嵌入原子法MAEAM(Modified Analytical Embedded Atom Method),从原子尺度对BCC金属Li在以[001]为倾斜轴的对称倾斜晶界STGB(Symetry Title Grain Boundary)中的结构和能量进行了计算机模拟。在刚性结合的对称倾斜晶界中,晶界处呈现周期性结构,晶界面附近的原子距离非常近,导致能量异常高。对于研究的(210)晶界面,发现两晶粒间的相对平移可以降低晶界能,在分别沿x方向和y方向平移时,最小晶界能出现在特定的平移距离处。

纯Mo〈110〉对称倾侧晶界的分子静力学模拟研究

Mo的固有脆性是限制Mo及Mo基合金作为包壳材料应用的关键性问题,其脆性的一个重要来源是Mo本身强度较低的晶界。为系统理解纯Mo的晶界结构,本文采用分子静力学方法,对32个〈110〉对称倾侧晶界的晶界能及空位形成能进行研究,并讨论空位在晶界上的形成规律。计算结果表明,晶界区域相较于完美晶体更易形成空位,且晶界上空位形成能与晶界能密切相关,越稳定的晶界越不易形成空位。空位在不同晶界结构上的形成规律有显著差异,在倾侧角小于等于58.992°的晶界结构中,空位易在C结构单元内形成;对于倾侧角介于58.992°与144.364°之间的晶界结构,空位易在“屋顶”结构中形成;对于倾侧角大于144.364°的晶界结构,空位易在Z型结构中形成。此外,通过4种势函数对32个晶界结构进行计算的结果表明,在晶界能与空位形成能方面,4种势函数无显著差异,但通过光谱近邻分析势计算得到的一部分晶界结构具有更高的不对称度。

CuΣ15晶界结构低能化转变的微观机制研究

采用分子动力学模拟方法对CuΣ15晶界的结构转变过程进行了系统研究,发现在单轴拉伸作用下CuΣ15[112](512)晶界会向Σ11[112](131)晶界发生低能化结构转变。位错演化和原子运动轨迹分析表明,该结构转变过程主要在两种肖克莱不全位错b_(1)=1/6[211]和b_(3)=1/6[121]的共同作用下完成。首先b_(1)位错从与Σ15晶界六边形结构单元的5和6号原子处形核并发射,此后其在{111}面上滑移导致内禀型堆垛层错的形成;b_(3)位错随后在与b_(1)同样位置形核并发射,引起{111}面上原子二次重排,从而导致堆垛层错消失。在上述位错作用下,CuΣ15晶界中原本组成六边形结构单元的5和6号原子脱离晶界区域,沿{111}面进入晶粒内而变为体相原子,剩余4个原子则重新排列形成四边形结构单元;CuΣ15晶界由此逐步完成向Σ11晶界的结构低能化转变。

Cr/W合金元素在α-Fe晶界上偏析热力学行为研究

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是聚变堆的候选结构材料,溶质元素在晶界上的偏析行为会引起材料晶界强化或弱化(脆化),因此研究溶质元素的晶界偏析行为对RAFM钢的研发和性能预测具有重要意义。本文采用分子动力学方法和Metropolis蒙特卡罗方法,研究了300~800 K下不同模拟合金(FeW、FeCrW)中Cr/W元素在晶界上的偏析行为,讨论了空位、温度对合金元素在晶界偏析的热力学影响以及W和Cr元素在晶界偏析上的耦合作用。计算结果表明:在FeW模型合金中,W元素会在晶界附近出现明显的富集现象;在FeCrW模型合金中,未观察到W元素在晶界处富集,Cr元素会在大部分晶界处富集。因此,Cr元素会抑制W在晶界处富集,主要原因是Cr与W之间的排斥作用。此外,研究表明,空位对Cr和W在晶界上的偏析行为无明显影响,而随着温度的升高,溶质元素在晶界上的偏析程度逐渐减弱。

纳米纯铜与铜铝合金中Σ13(320)晶界的剪切耦合行为研究

含Σ13(320)对称倾转晶界的纯铜双晶在剪切力作用下被证明能够发生垂直于晶界的剪切耦合运动,另一方面杂质的存在也会显著影响金属材料的力学性能。以铝杂质为例,本文系统地探索杂质对含有此晶界的铜晶体在不同温度下受剪切作用时的晶界运动行为。通过计算并比较不同温度及不同铝杂质浓度情况下剪切耦合因子β,本文发现晶界在较高温度及较低铝浓度时晶界的剪切耦合效应较为明显。