纳米级铱单晶不同温度拉伸的分子动力学解析

针对面心立方金属铱单晶独特的韧脆变形特征,采用分子动力学方法研究了纳观尺度下的铱单晶在不同温度下的拉伸变形行为。通过分析不同温度拉伸过程中的应力应变关系,势能变化和原子构型图,认为随着温度的上升,纳米级铱单晶沿[100]晶向的弹性模量逐渐下降,抗拉强度也逐渐降低。温度为300 K时拉伸变形过程中在晶体内仅有少量空位和位错产生,600和800 K拉伸变形过程中在晶体内有滑移,位错和空位产生。     

金属Nb级联碰撞的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了bcc结构Nb在辐照损伤初期因辐照诱发位移损伤形成和演化的微观过程以及原子机制。选取初级离位原子(primary knock-on atom,PKA)能量5～50 keV,模拟温度300 K,研究了Nb中级联碰撞产生的缺陷数量及其分布随模拟时间的演化,PKA能量对稳定Frenkel缺陷数目的影响,缺陷团簇的分布等。研究结果显示,级联碰撞会在体系中产生辐照缺陷,Frenkel缺陷对数目和不同的PKA能量区间(5～30 keV和30～50 keV)之间满足不同的幂函数关系,所形成的缺陷大多数以点缺陷的形式存在,空位团簇成团率17%～35%,间隙原子团簇成团率23%～40%,PKA能量越高,空位越容易形成较大的团簇;级联碰撞产生的间隙原子形成了大量的沿110方向的哑铃型结构;当PKA能量高于30 keV时,级联碰撞将产生1/2111间隙型位错环和100空位型位错环。     

分子动力学研究He对钨∑3{112}对称晶界拉伸性能的影响

使用分子动力学方法计算模拟了Σ3{112}晶界上含有不同大小和浓度He泡的钨晶体的拉伸性能。应用共近邻分析法和位错分析法分析了晶体屈服前的微观结构演化机理。结果表明:当晶界上无He泡或只含有小尺寸单He泡时,在拉伸屈服前都经历了弹性阶段和结构相变阶段;在结构相变阶段,晶格原子的相对位置发生了变化。拉伸过程中,小He泡造成的晶格损伤会自动恢复,对晶体屈服应力和屈服应变无显著影响,He泡的能量受周围晶格钨原子间距的影响。晶界上的大尺寸He泡造成晶格损伤无法恢复,并且He泡越大,晶格损伤越大,相应地屈服应变、屈服应力和弹性模量越小。晶界上高浓度的He泡易导致晶界脆化,使钨晶体在屈服后就开始断裂分离。     

纳米尺度铜团簇在升温过程中结构变化的分子动力学研究

应用正则系综分子动力学方法和嵌入原子势函数,模拟计算了在升温过程中纳米尺度铜团簇Cun(原子数n=531,603,683)原子径向密度分布函数ρ(r)及原子的平均能量随温度的变化.在将团簇沿其径向分为表层、近表层、内层Ⅰ和内层Ⅱ四个区域后,研究了在升温过程中纳米尺度铜团簇表层及内部区域结构变化.结果表明,团簇Cu603在温度为770 K时团簇表层区域原子的结构部分处于无序状态,部分保持有序结构,且这种有序和无序共存的状态一直持续到1000 K,而在这一温度区间内,近表层和内层原子的结构仍总体保持有序结构;在1000-1100 K温度区间内,各区域原子的平均能量均经历一个N形变化后,当温度为1080 K时团簇各区域内原子的结构已变为无序,但沿径向方向表现为层状分布;直到1500 K时,团簇的层状分布特征消失.团簇Cu531和Cu683具有相似的结果.     

利用APT对RPV模拟钢中富Cu原子团簇析出的研究

提高了Cu含量的核反应堆压力容器（RPV）模拟钢经过880℃水淬和660℃调质处理,在370℃时效不同时间后,利用原子探针层析技术（APT）进行分析.结果表明:样品经过1150 h时效后,富Cu团簇正处于析出过程的形核阶段;经过3000和13200 h时效后析出了富Cu团簇,团簇的平均等效直径分别为1.5和2.4 nm,团簇中Cu的平均浓度分别为45%和55%（原子分数）,团簇的数量密度约为4.2×10²²m^-3;样品经过13200 h时效后,α-Fe基体中的Cu含量为（0.15±0.02）%,仍然高于Cu在α-Fe中平衡固溶度的理论计算值,说明这时富Cu团簇的析出过程还没有达到平衡.对渗碳体的分析结果表明,Ni,Si和P偏聚在渗碳体和α-Fe基体的相界面附近,Mn,Mo和S富集在渗碳体中;并没有观察到Cu在相界面上偏聚的现象.     

利用APT研究铁素体时效钢中富Cu相和碳化物的偏析行为

铁素体时效钢样品经过880℃水淬、660℃调质处理,然后400℃时效4000 h后,利用三维原子探针层析技术(APT)研究了时效钢中晶界和基体中富Cu析出相和碳化物的偏析行为。结果表明:分析区域中Mn、Ni、Mo、C和Cu元素更容易在晶界处偏聚,形成富Cu团簇和碳化物,晶界处的纳米富Cu相为短棒状,其尺寸大小约为6 nm,团簇中的Cu原子含量为40at%。基体中的纳米团簇近似为球状,其尺寸和团簇中的Cu原子的数量密度都比晶界处小。在晶界处析出的富Cu团簇在碳化物之间,形成一种"夹层结构"。此外,富Cu团簇内部有Mn和Ni原子的偏聚,促进富Cu相的析出。     

利用APT对RPV模拟钢中富Cu原子团簇析出的研究

提高了Cu含量的核反应堆压力容器（RPV）模拟钢经过880℃水淬和660℃调质处理,在370℃时效不同时间后,利用原子探针层析技术（APT）进行分析.结果表明:样品经过1150 h时效后,富Cu团簇正处于析出过程的形核阶段;经过3000和13200 h时效后析出了富Cu团簇,团簇的平均等效直径分别为1.5和2.4 nm,团簇中Cu的平均浓度分别为45%和55%（原子分数）,团簇的数量密度约为4.2×10²²m^-3;样品经过13200 h时效后,α-Re基体中的Cu含量为（0.15±0.02）%,仍然高于Cu在α-Fe中平衡固溶度的理论计算值,说明这时富Cu团簇的析出过程还没有达到平衡.对渗碳体的分析结果表明,Ni,Si和P偏聚在渗碳体和α-Fe基体的相界面附近,Mn,Mo和S富集在渗碳体中;并没有观察到Cu在相界面上偏聚的现象.     

熔体处理温度对K424高温合金凝固组织和性能的影响

研究了不同熔体处理温度对K424镍基铸造高温合金凝固组织和力学性能的影响。结果表明,随着熔体处理温度的升高,MC型碳化物不断细化,分布更加弥散均匀,晶粒尺寸和二次枝晶间距减小,微观偏析得到改善;当熔体处理温度达到1 600℃以上时,合金的拉伸塑性和持久性能显著提高;但是熔体处理温度过高会加剧坩埚反应,导致1 650℃时氧含量明显增加,合金的拉伸强度和持久寿命出现下降趋势。     

温度对CT20合金孪生变形行为的影响

在不同温度(20~300 K)下对CT20钛合金的拉伸变形行为进行研究,并采用金相显微镜、SEM和TEM观察变形组织及断口,揭示温度对CT20孪生变形行为的影响规律.结果表明,随温度降低,CT20合金的抗拉强度提高,伸长率下降,拉伸断口的颈缩程度逐渐减小;220 K的变形组织内出现孪晶,且孪晶数量和尺寸随温度降低均有所增加;300 K温度下合金的拉伸变形以位错滑移为主导,220 K和20 K下为滑移和孪生共同作用.     

对3种典型铝硅合金熔体温度处理的对比分析

对3种典型成分的铝硅合金(Al-20%Si、Al-12%Si和Al-7%Si)进行了熔体温度处理凝固组织变化规律的比较研究.结果表明: 在Al-12%Si共晶合金熔体处理组织中存在α枝晶与初晶硅共存以及α枝晶在一定处理条件下可以完全消失的现象; 3种成分Al-Si合金的α枝晶及初晶硅的形态尺寸随过热温度、静置时间增加出现周期性的变化规律, 出现最小尺寸的温度、时间并不完全一致; 熔体温度处理对Al-7%Si中枝晶大小、形态等有一定影响, 但细化效果不明显.在铝硅合金中, 硅原子微观有序团簇和铝有序偏聚原子团簇可能存在于不同的温度区间, 铝有序偏聚原子团簇存在的温度区间更靠近温度轴, 硅原子微观有序团簇具有比铝有序偏聚原子团簇更强的结合能.     

GH690合金拉伸变形行为的温度敏感性

通过拉伸试验研究了GH690合金从298～623K的变形行为,用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜观察了变形组织。结果表明,合金在298K拉伸时能够通过孪生协调变形,生成的形变孪晶阻碍了位错的滑移,从而使合金获得了较高的加工硬化速率,导致合金的强度和塑性较高。随着形变温度的升高,合金通过孪生协调变形的能力降低,变形机制由孪生转变为滑移,滑移产生的加工硬化效应小于孪生,因此合金的强度和塑性随之降低。     

Cu-15Ni-8Sn合金压缩变形下的动态时效行为

研究了粉末冶金制备的固溶态Cu-15Ni-8Sn合金在不同温度和压缩速率下的动态时效行为。结果表明:在较低温度和较慢的应变速率下变形时,溶质原子首先向位错处偏聚,形成对位错移动产生钉扎作用的Cottrell气团,产生动态应变时效,随后位错处弥散分布的溶质原子形成细小的调幅组织。而在较高温度变形时效时,溶质原子很快形成析出强化相,不产生动态应变时效,且达到峰时效的时间远小于预冷变形后的峰时效时间。     

FORMATION ENERGIES OF POINT DEFFECTS AND HELIUM－VACANCY CLUSTERS IN γ－Fe

利用分子静力学计算了γ-Fe中的空位(V)、自间隙原子(SIA)、间隙氦原子(HeI)和氦-空位(He-V)团簇的形成能.Fe-Fe,Fe-He和He-He原子间相互作用分别用修正嵌入原子法(MEAM)、Wilson-Johnson势和Beck势来描述.计算结果表明,SIA<100>形成能远小于α-Fe中的SIA<110>形成能,HeI在γ-Fe中的四面体间隙位最稳定.团簇HenV0,HenV1,HenV2和HenV3中的He原子数n分别达到2,5,9和11时即可形成Frenkel对来实现自捕陷,实现自捕陷时的He/V个数比不是定值,且随空位数的增加有逐渐下降趋势.     

热处理对Fe13Cr5Al1.5Nb合金晶粒尺寸及第二相析出行为的影响

利用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜以及电子背散射衍射研究了Fe13Cr5Al1.5Nb合金的高温下微观组织演化特征。选择模拟事故工况温度区间(800～1000℃)对合金进行热处理实验,研究热处理温度和时间对晶粒尺寸及第二相析出行为的影响规律。采用EBSD分析统计了晶粒尺寸的变化。研究了800℃×20 h热处理后材料在室温至800℃的拉伸性能并观察分析了拉伸断口特征。结果表明,冷轧/热轧合金中弥散分布着高温稳定性良好的细小析出相(Fe2Nb相),且其周围分布着高密度位错。在800℃热处理5～25 h过程中,FeCrAl基合金的晶粒尺寸保持了良好的热稳定性,合金的晶粒尺寸都比较细小,平均晶粒尺寸约2μm。高于900℃时,合金中大量第二相固溶于基体,部分第二相显著粗化。低于260℃时,断口形貌表现为微孔型塑性断裂,呈现典型的细小蜂窝状等轴韧窝;提高到600～800℃时,合金出现超塑性特点。     

TB8钛合金超塑性变形的组织演变

研究了TB8合金在不同变形条件下的超塑性及其显微组织。结果表明,变形温度为690～840℃、应变速率为1.0×10~(-4)～1.0×10~(-3)s~(-1)时,TB8钛合金均具有超塑性。750℃、1.0×10~(-4)s~(-1)拉伸时,合金塑性最佳,伸长率为524.9%。变形过程中,变形软化和加工硬化相互抵消,表现为传统的超塑性变形稳态流动特征。变形温度、应变速率和变形程度对合金的超塑性、显微组织均有明显影响。应变速率越低,等轴β相晶粒尺寸越大。拉伸温度升高,β相晶粒尺寸增大,α相颗粒逐渐被溶解,β相饱和化,但仍能保持一定的等轴度。随着变形程度增大,β相晶界和基体弥散析出的α相越多,细小、弥散分布的α相可以抑制晶粒的过分长大,使合金塑性得到改善。     

316LN奥氏体不锈钢热变形组织研究

在600~1 000℃范围内对316LN管道用钢进行高温拉伸试验,通过光学显微镜以及透射电镜对拉伸组织进行研究。结果表明,在600℃时,晶粒被拉长,晶界处存在位错聚集,未发生动态再结晶。当温度升高到800~1 000℃时,变形晶粒逐渐消失,发生动态再结晶,晶粒尺寸增加,位错逐渐消失。     

晶体取向和He浓度对bcc-Fe裂纹扩展行为的影响

采用分子动力学模拟研究了300 K时不同He浓度下(001)[010]和(121)[111]2种取向bcc-Fe裂纹模型的扩展行为。结果表明,当模型中不存在He时,裂纹取向不同,裂纹扩展机制不同:(001)[010]取向裂纹的扩展机制分为弹性变形、相变、裂纹尖端沿相变区解理断裂;(121)[111]取向裂纹的扩展机制分为弹性变形、堆垛孪晶、孪晶尖端应力集中诱发多空洞合并断裂。(121)[111]取向裂纹的屈服应力和应变大于(001)[010]取向裂纹,说明(121)[111]取向裂纹具有较强的抵制裂纹扩展的能力。He浓度对裂纹扩展行为的影响主要体现在2个方面:当He浓度较低(0.9%,原子分数)时,He的存在减缓了相变或者孪晶转变速率,降低了裂纹扩展速率;当He浓度较高(6.0%,原子分数)时,大量He团簇的存在促进了空洞形成,导致2种裂纹模型的断裂机制均变为He团簇诱发多空洞合并断裂,未出现相变或者孪晶。     

高硬度镀锡板的时效敏感性

通过显微组织观察及力学性能测试研究了经不同温度卷取后T-4CA高硬度镀锡板不同状态下的组织和力学行为。结果表明,镀锡板的时效性不仅和固溶间隙原子有关,还和镀锡基板中的渗碳体析出相的分布以及铁素体晶粒尺寸有密切关系。低温卷取时,冷轧退火时铁素体晶粒尺寸细小且渗碳体析出相呈细小的点链状分布,这样的组织和析出相分布使得软熔后的镀锡板在拉伸变形过程中屈服点延伸率较大;高温卷取时,冷轧退火板无论是铁素体基体还是渗碳体析出相都较粗大,使镀锡板在软熔后的拉伸变形过程屈服点延伸率大幅降低,抗时效性也显著提高。此外,通过对比分析镀锡板在退火、平整和镀锡后的屈服强度变化,发现镀锡后屈服强度的提高不仅与Cottrell气团钉扎位错有关,还与位错之间的交互作用有关。     

含Cu的HSLA钢中富Cu团簇的粗化行为及其对力学性能的影响

利用原子探针层析技术(APT)对含1.4 mass％ Cu的低合金高强度钢(High strength low alloy,HSLA)在450℃回火2～100 h后的富Cu团簇进行了表征,并对富Cu团簇的粗化行为及其强化行为进行了定量分析,通过拉伸实验测定了实验钢的力学性能.APT结果表明:随着回火时间的延长,富Cu团簇的等效半径逐渐增加、数量密度逐渐降低.富Cu团簇的粗化系数k,由回火2～10h的1.9 nm3/h,减小为50～100 h时的0.27 nm3/h,导致富Cu团簇粗化速率下降.回火过程中,析出的富Cu团簇通过与位错的交互作用,显著提高了1.4Cu钢的屈服强度,回火2～10h时后实验钢出现了一个屈服强度约为1076 MPa和伸长率约为19％的平台,表明实验钢具有良好的强塑性匹配.     

预变形对2519铝合金组织与力学性能的影响

通过拉伸测试、显微硬度测试、透射电镜及扫描电镜分析等手段研究了预变形对2519铝合金组织与力学性能的影响.结果表明:预变形降低了合金于180℃时效第一阶段的硬化效果,提高了合金峰值硬度及强度,缩短了峰值时效时间.预变形合金强度、硬度的提高是由于θ′相的数目增加和尺寸减小.细小弥散的θ′相有利于阻碍位错的运动,提高了合金的强度,同时也降低了合金的塑性.综合考虑合金的强度和塑性,2519铝合金时效前的预变形以15%为宜.