Bcc-Fe晶界C/Cr元素偏聚的分子动力学研究

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金属材料变形过程中会沿着晶界产生早期裂纹从而降低材料的延展性和强度。晶界上合金元素的偏聚是改变晶界性能的重要因素。合金元素的晶界偏聚对晶界性能可能是强化也可能是弱化作用。不同合金元素偏聚对晶界强度和材料韧性有着不同的影响。C/Cr是金属材料中重要的合金元素。在以往的研究中C/Cr元素晶界偏聚对BCC-Fe晶界力学性能的影响鲜有报道。本文采用分子动力学方法对Bcc-Fe的Σ3(111)、Σ3(112)、Σ3(111)/(11-5)、Σ3(112)/(55-2)晶界的变形行为进行了理论计算。分析了不同温度下(10K、300K、600K),晶界上存在不同数量(10%、20%、30%、40%、50%)空位对晶界的影响,和晶界上含有不同C/Cr元素偏聚含量对晶界的影响。计算结果表明:10K和300K时,无偏聚Σ3(112)晶界的拉伸应力-应变曲线呈现,拉伸应力首先随应变的增加而增加,然后随应变的增加在微小范围内波动,最后呈二次增加然后突然降低(模型断裂)的特性。空位或C的存在明显改变了这一特性,空位或C的存在使Σ3(112)晶界的拉伸应力呈现随应变的增加而增加,然后突然降低(断裂)的特性,不存在应力二次增加的现象。空位的存在或C的偏聚(C置换晶界上一定数量的Fe原子)会明显改变无缺陷Σ3(111)、Σ3(112)、Σ3(111)/(11-5)、Σ3(112)/(55-2)晶界的拉伸强度、拉伸延伸率、剪切强度以及极限剪切应变。对于Σ3(111)、Σ3(111)/(11-5)晶界,10K时,空位对两晶界拉伸和剪切强度的减小值(相对于无偏聚晶界)会随着C元素进入空位而减小。对于Σ3(112)、Σ3(112)/(55-2)晶界,300K、600K时,空位对晶界拉伸和剪切强度的减小值(相对于无偏聚晶界)会随着C元素进入空位而减小。对于Σ3(111)、Σ3(111)/(11-5)晶界,在10K、300K时,无偏聚晶界的拉伸和剪切强度高于含有Cr偏聚的晶界。对于Σ3(112)、Σ3(112)/(55-2)晶界,在10K时,无偏聚晶界的拉伸和剪切强度高于含有Cr偏聚的晶界。相同温度条件下,Cr元素晶界偏聚对晶界的拉伸强度、拉伸延伸率、剪切强度、剪切极限应变的增加值或减小值(相对于无偏聚晶界)不尽相同,随Cr偏聚含量的变化而变化。
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