氢原子对铁-镍合金裂纹扩展作用机理的分子动力学研究

• 作 者: 李想
• 出 处: 中国石油大学(北京)
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 分子动力学 改进嵌入原子法 氢原子 镍原子 裂纹扩展

金属材料因氢原子进入基体而出现机械性能的下降,最终发生脆性失效的现象,称为氢脆现象。金属材料的氢脆会给人们带来重大的财产损失和生命危害,这使得氢脆研究一直为学术界所关注,但对于氢脆的机理,学术界依然有很大分歧。镍是影响金属抗氢脆性能的重要元素,现已发现,在铁基合金中引入一定浓度的固溶镍原子能够有效改善材料抗氢脆的性能,研究镍原子这一影响作用的机理,对于研发高性能抗氢脆材料具有重要意义。利用基于改进嵌入原子法的分子动力学计算,可以实现对金属发生变形时原子运动微观过程的追踪,有利于深入探究金属氢脆的机理以及镍原子对材料抗氢脆性能的影响原理。因此,本文选择铁-镍合金体系,进行氢原子与镍原子对合金裂纹扩展过程影响的分子动力学研究。本文通过对已发布势函数参数的整合,以及对其他势函数参数的计算和调整,确定了适用于本文体系的铁-镍-氢三元改进嵌入原子势场;通过分子动力学方法,对不同氢含量和镍含量的预制裂纹铁-镍模型进行了拉伸模拟;最后探究间隙氢原子和固溶镍原子对基体抗裂纹扩展、力学性能等特性的影响机理,并讨论不同镍含量下氢影响作用的变化。随镍含量的升高,铁-镍体系晶体结构会发生由体心立方到面心立方的转变。镍原子能够增强面心立方结构的稳定性。铁-镍体系中镍含量升高时,塑性与抗裂纹扩展性能呈现先上升后下降趋势。这是由于,镍含量为20 at%的体系塑性相比纯铁体系显著提高,裂纹尖端难以应力集中;镍含量大于20 at%时,更高的镍含量会对体系内层错产生更强的阻碍作用,体系发生塑性变形的难度增大,裂纹尖端处应力无法被分解和释放。氢原子浓度的升高能够导致裂纹尖端应力集中,促进裂纹扩展,并能够使得模型抗拉强度升高。这源于氢原子对基体拉伸过程出现的层错与相变具有阻碍作用。随着镍含量升高,氢原子浓度升高造成的裂纹扩展和抗拉强度增量降低,氢原子的对铁-镍体系影响作用减小。