三元硼化物硬质覆层材料内界面微裂纹萌生及扩展性能的分子动力学研究

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硬质覆层材料作为一种新型涂覆层材料,既具备基体材料高强度和高韧性的特点,又拥有硬质覆层的高硬度、高耐磨、高耐腐蚀、高化学稳定性等优点,在航空航天、核工业、机械、冶金、汽车、石油化工等领域有着广泛的应用。三元硼化物硬质覆层材料是由覆层和钢基体以层状结合方式构成的复合材料,在覆层和钢基体之间存在着结合界面层。界面结合层的质量直接决定了硬质覆层材料的使用性能。界面微裂纹是影响界面结合性能的重要因素,因此对硬质覆层材料内界面微裂纹的萌生及扩展性能进行研究具有重要意义。  三元硼化物硬质覆层材料的结合界面主要由硬质相(Mo2FeB2)与粘结相(α-Fe)组成,本文基于分子动力学理论,运用分子动力学模拟软件Materials Studio,分别建立了Mo2FeB2和α-Fe的分子动力学模型,进而复合得到了九种Mo2FeB2/α-Fe理想界面模型。在此基础上,计算了这九种理想界面模型的界面失配度,研究了不同界面失配度的界面模型的界面结合能。计算结果表明:本文所研究的九种理想界面模型中,Mo2FeB2(001)/α-Fe(001)界面模型的界面结合能最大、界面结合强度最高、结合界面最稳定,微裂纹最不容易在该界面萌生和扩展;Mo2FeB2(100)/α-Fe(001)界面模型的界面结合能最小,界面结合强度最弱,微裂纹最容易在该界面萌生和扩展。  基于最不稳定的Mo2FeB2(100)/α-Fe(001)界面模型,分别构建了含有不同原子空位缺陷(界面Mo、B、Fe原子空位,覆层Mo、B、Fe原子空位,基体Fe原子空位)的界面模型。计算了不同原子空位缺陷的形成能及界面模型的界面结合能。研究结果表明:界面B原子空位缺陷形成能最小,Ef-IVB-min=0.0342J/m2,在三元硼化物硬质覆层材料中最易形成界面B原子空位缺陷;覆层、基体以及界面中原子空位的存在,削弱了界面结合强度,使界面结合性能下降;界面Mo原子空位缺陷的存在,使界面结合能的下降幅度最大,界面模型最不稳定;界面Mo原子空位缺陷形成后最容易向界面B原子的位置扩展。  基于Mo2FeB2(100)/α-Fe(001)界面模型,构建了分别含有平行界面、垂直界面、斜跨界面预制裂纹的界面模型,计算了含有预制微裂纹界面模型的界面结合性能,结果表明:含有平行界面预制微裂纹的界面结合能最小,该裂纹最容易发生扩展。在此基础上,构建了含有不同长度的平行界面预制微裂纹的四种界面模型,计算了其界面结合能,结果表明,随着界面微裂纹长度的增加,界面结合能变小,界面微裂纹容易发生扩展。
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