氦和位錯(cuò)對(duì)HR-2合金力學(xué)性能影響的多尺度模擬.pdf

1、本文開展了氦和位錯(cuò)對(duì)HR-2合金力學(xué)性能影響的多尺度模擬研究。在微觀尺度上，利用修正的嵌入原子勢(shì)(MEAM)與分子靜力學(xué)(MS)計(jì)算了氦團(tuán)簇的形成能與原子組態(tài)，利用動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(KMC)模擬了氦團(tuán)簇的演化過(guò)程。在細(xì)觀尺度上，建立了三維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)(3DDD)模型，并模擬了位錯(cuò)克服氦團(tuán)簇的熱激活滑移過(guò)程。在宏觀尺度上，建立了基于位錯(cuò)密度演化的HR-2合金物理本構(gòu)模型，并將氦團(tuán)簇的熱激活應(yīng)力引入到本構(gòu)方程以描述氦對(duì)HR-2合金力學(xué)性能的

2、影響。在數(shù)值模擬中，對(duì)相關(guān)的模型及計(jì)算方法進(jìn)行了研究。并開展了HR-2合金力學(xué)性能試驗(yàn)研究與位錯(cuò)組態(tài)分析，探討了HR-2合金力學(xué)行為的微細(xì)觀機(jī)制。主要有如下一些結(jié)論： a)MS計(jì)算結(jié)果表明間隙He原子(HeI)在α-Fe和γ-Fe中均以四面體間隙位最穩(wěn)定。氦-空位(He-V)團(tuán)簇的形成能隨He/V值增大而增大，空位對(duì)He-V團(tuán)簇有穩(wěn)定作用，而HeI的加入使He-V團(tuán)簇能量上升而引發(fā)自捕陷反應(yīng)。 b)KMC模擬表明熱空位與

3、熱激活能對(duì)He的演化起著不同的作用。高溫時(shí)，大量的熱空位捕獲了大多數(shù)的HeI，使之不能充分聚集而實(shí)現(xiàn)自捕陷；而溫度較低時(shí)，熱激活能隨溫度升高而增大，開動(dòng)了不同類型的自捕陷反應(yīng)，而使團(tuán)簇隨之變大。 c)建立的3DDD模型能較準(zhǔn)確地模擬Frank-Read位錯(cuò)源的臨界剪切應(yīng)力、臨界位錯(cuò)組態(tài)，且與試驗(yàn)值接近。模擬了不同應(yīng)變率加載下FCC晶體的位錯(cuò)演化與應(yīng)力-應(yīng)變曲線，所建的數(shù)值計(jì)算方法能有效地模擬位錯(cuò)偶以及低應(yīng)變率加載下的力學(xué)行為。

4、 d)位錯(cuò)演化微分方程與力學(xué)狀態(tài)微分方程所組成的方程組具有嚴(yán)重的剛性性質(zhì)，即外應(yīng)力的變化遠(yuǎn)高于位錯(cuò)密度的變化，這與真實(shí)材料的性質(zhì)相一致。 e)用Langevin力來(lái)描述溫度對(duì)位錯(cuò)的熱效應(yīng)，模擬了位錯(cuò)克服Peierls應(yīng)力的熱激活滑移過(guò)程，并擬合了Peierls阻礙勢(shì)壘，所得結(jié)果與試驗(yàn)值相當(dāng)。 f)HR-2合金具有明顯的應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變率強(qiáng)化和溫度軟化效應(yīng)，這是由于位錯(cuò)滑移的短程阻礙勢(shì)壘小引起的。溫度和應(yīng)變率對(duì)位錯(cuò)組態(tài)

5、演化有不同的作用，即溫度升高位錯(cuò)組態(tài)逐漸從網(wǎng)格狀位錯(cuò)墻向位錯(cuò)胞方向發(fā)展，而應(yīng)變率升高則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式以平面滑移為主，當(dāng)應(yīng)變率足夠高時(shí)則出現(xiàn)孿晶，以滿足變形速率要求。 g)根據(jù)FCC晶體塑性變形的林位錯(cuò)切割機(jī)制，建立了基于位錯(cuò)密度演化的HR-2合金物理本構(gòu)模型。擬合的模型參數(shù)與材料微結(jié)構(gòu)特性相一致，并且模型能在較寬溫度與應(yīng)變率范圍內(nèi)描述該合金的力學(xué)行為。 h)在KMC與位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ)上，擬合了氦團(tuán)簇的熱激活應(yīng)力本構(gòu)方程

6、，并引入到HR-2合金的本構(gòu)模型中以描述了氦對(duì)HR-2合金的強(qiáng)化效應(yīng)。結(jié)果表明，利用熱激活本構(gòu)方程評(píng)估的強(qiáng)化效應(yīng)比臨界分切應(yīng)力(CRSS)評(píng)估的更有效。 本文將串行的多尺度模擬方法應(yīng)用于模擬氦對(duì)HR-2合金力學(xué)性能的影響。通過(guò)微觀模擬得到氦團(tuán)簇的分布，然后利用位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬位錯(cuò)與氦團(tuán)簇間的相互作用得到氦團(tuán)簇引起的熱激活應(yīng)力，最后將其引入到HR-2合金的物理本構(gòu)模型中以模擬氦對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響。該方法一方面兼顧了物理本構(gòu)模型對(duì)宏