氦和位错对HR-2合金力学性能影响的多尺度模拟

论文摘要

本文开展了氦和位错对HR-2合金力学性能影响的多尺度模拟研究。在微观尺度上,利用修正的嵌入原子势（MEAM）与分子静力学（MS）计算了氦团簇的形成能与原子组态,利用动力学蒙特卡罗（KMC）模拟了氦团簇的演化过程。在细观尺度上,建立了三维离散位错动力学（3DDD）模型,并模拟了位错克服氦团簇的热激活滑移过程。在宏观尺度上,建立了基于位错密度演化的HR-2合金物理本构模型,并将氦团簇的热激活应力引入到本构方程以描述氦对HR-2合金力学性能的影响。在数值模拟中,对相关的模型及计算方法进行了研究。并开展了HR-2合金力学性能试验研究与位错组态分析,探讨了HR-2合金力学行为的微细观机制。主要有如下一些结论:a) MS计算结果表明间隙He原子（HeI）在α-Fe和γ-Fe中均以四面体间隙位最稳定。氦-空位（He-V）团簇的形成能随He/V值增大而增大,空位对He-V团簇有稳定作用,而HeI的加入使He-V团簇能量上升而引发自捕陷反应。b) KMC模拟表明热空位与热激活能对He的演化起着不同的作用。高温时,大量的热空位捕获了大多数的HeI,使之不能充分聚集而实现自捕陷;而温度较低时,热激活能随温度升高而增大,开动了不同类型的自捕陷反应,而使团簇随之变大。c)建立的3DDD模型能较准确地模拟Frank-Read位错源的临界剪切应力、临界位错组态,且与试验值接近。模拟了不同应变率加载下FCC晶体的位错演化与应力-应变曲线,所建的数值计算方法能有效地模拟位错偶以及低应变率加载下的力学行为。d)位错演化微分方程与力学状态微分方程所组成的方程组具有严重的刚性性质,即外应力的变化远高于位错密度的变化,这与真实材料的性质相一致。e)用Langevin力来描述温度对位错的热效应,模拟了位错克服Peierls应力的热激活滑移过程,并拟合了Peierls阻碍势垒,所得结果与试验值相当。f) HR-2合金具有明显的应变强化、应变率强化和温度软化效应,这是由于位错滑移的短程阻碍势垒小引起的。温度和应变率对位错组态演化有不同的作用,即温度升高位错组态逐渐从网格状位错墙向位错胞方向发展,而应变率升高则使位错运动方式以平面滑移为主,当应变率足够高时则出现孪晶,以满足变形速率要求。g)根据FCC晶体塑性变形的林位错切割机制,建立了基于位错密度演化的HR-2合金物理本构模型。拟合的模型参数与材料微结构特性相一致,并且模型能在较宽温度与应变率范围内描述该合金的力学行为。h)在KMC与位错动力学模拟基础上,拟合了氦团簇的热激活应力本构方程,并引入到HR-2合金的本构模型中以描述了氦对HR-2合金的强化效应。结果表明,利用热激活本构方程评估的强化效应比临界分切应力（CRSS）评估的更有效。本文将串行的多尺度模拟方法应用于模拟氦对HR-2合金力学性能的影响。通过微观模拟得到氦团簇的分布,然后利用位错动力学模拟位错与氦团簇间的相互作用得到氦团簇引起的热激活应力,最后将其引入到HR-2合金的物理本构模型中以模拟氦对宏观力学性能的影响。该方法一方面兼顾了物理本构模型对宏观力学行为描述的准确性,另一方面兼顾了微细观模拟（如位错动力学）对材料微结构特性的描述。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氦在材料中的微观行为
• 1.3 氦对金属材料力学行为的影响
• 1.4 计算材料学与多尺度模拟研究
• 1.4.1 计算材料学
• 1.4.2 多尺度模拟研究
• 1.5 国内研究现状
• 1.6 本文研究思路和内容
• 1.6.1 微观原子级模拟研究
• 1.6.2 位错动力学模拟研究
• 1.6.3 宏观物理本构研究
• 参考文献
• 第2章 氦团簇演化的微观模拟
• 2.1 引言
• 2.2 原子间的相互作用势
• 2.2.1 原子间的相互作用
• 2.2.2 Fe 原子的MEAM 势
• 2.2.3 MEAM 势的原子间作用力计算
• 2.2.4 MEAM 势的原子间相互作用力计算验证
• 2.2.5 Fe－He 与He－He 相互作用势
• 2.3 分子静力学计算结果与讨论
• 2.3.1 分子静力学计算方法
• 2.3.2 点缺陷原子组态与形成能
• 2.3.3 氦－空位团簇的原子组态
• 2.3.4 氦－空位团簇的形成能
• 2.4 氦－空位团簇间的反应
• 2.4.1 团簇反应类型与反应速率
• 2.4.2 团簇复合与离解反应的讨论
• 2.5 氦团簇演化的模拟方法
• 2.5.1 KMC 算法
• 2.5.2 氦－空位团簇的构型变换
• 2.6 KMC 模拟结果与讨论
• 2.6.1 温度对氦泡演化的影响
• 2.6.2 不同初始浓度氦的演化模拟
• 2.6.3 氦泡的聚集长大模拟
• 2.7 结论
• 参考文献
• 第3章 三维离散位错动力学模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 三维离散位错动力学模型
• 3.2.1 三维离散位错动力学的演化方程
• 3.2.2 位错线的离散化与数据结构
• 3.2.3 位错受到的作用力
• 3.2.4 位错短程反应
• 3.2.5 交滑移
• 3.2.6 位错线的离散化计算
• 3.2.7 晶体力学行为计算
• 3.2.8 三维离散位错动力学模拟流程
• 3.3 三维离散位错动力学数值计算方法研究
• 3.3.1 位错演化与力学状态微分方程组的刚性性质与物理含意
• 3.3.2 非热时数值计算方法
• 3.3.3 含温度时数值计算方法
• 3.4 FRANK－READ 位错源模拟
• 3.5 非热时不同应变率加载下的模拟结果
• 3.5.1 位错演化
• 3.5.2 应力－应变曲线
• 3.6 位错热激活滑移的数值模拟
• 3.6.1 未考虑热激活效应时的模拟结果
• 3.6.2 考虑热激活效应时的模拟结果
• 3.6.3 位错热激活滑移的唯象描述
• 3.7 位错克服二相颗粒的热激活过程模拟
• 3.8 位错切割模拟
• 3.8.1 位错结
• 3.8.2 割阶
• 3.9 结论
• 参考文献
• 第4章 HR-2 合金力学行为与微细观分析
• 4.1 引言
• 4.2 材料动态力学行为与微细观演化特点
• 4.2.1 材料动态力学行为
• 4.2.2 材料动态加载下的微细观演化特点
• 4.3 宏观力学行为的微观机制
• 4.3.1 晶体材料的物理本构描述
• 4.3.2 应变硬化模量
• 4.3.3 延伸率、断面收缩率与断裂
• 4.4 力学试验与微细观分析
• 4.4.1 试验材料
• 4.4.2 力学试验
• 4.4.3 微细观分析
• 4.5 力学试验结果与讨论
• 4.5.1 准静态拉伸结果与讨论
• 4.5.2 动态力学实验结果与讨论
• 4.6 位错组态分析
• 4.6.1 HR-2 合金位错组态的基本特性
• 4.6.2 不同应变率加载后的位错组态
• 4.6.3 相同载荷不同温度下的位错形貌观察
• 4.7 结论
• 参考文献
• 第5章 HR-2 合金的物理本构模型
• 5.1 引言
• 5.2 本构模型研究进展
• 5.2.1 经验本构模型
• 5.2.2 隐式物理本构模型
• 5.2.3 显式物理本构模型
• 5.3 热激活本构模型
• 5.3.1 Kocks 型热激活本构模型
• 5.3.2 基于位错密度演化的热激活本构模型
• 5.4 HR-2 合金物理本构模型
• 5.4.1 HR-2 合金物理本构模型的建立
• 5.4.2 HR-2 合金物理本构方程的求解
• 5.4.3 结果与讨论
• 5.5 结论
• 参考文献
• 第6章 氦对HR-2 合金力学性能的影响模拟
• 6.1 引言
• 6.2 位错克服氦团簇的热激活滑移过程模拟
• 6.2.1 氦团簇引起的晶格体积膨胀量
• 6.2.2 位错动力学模拟
• 6.2.3 位错克服氦团簇的热激活本构方程拟合
• 6.3 含氦的HR-2 合金物理本构模型
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第7章 结论、创新点与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录