金属学报(中文版)  2018 , 54 (1): 47-54 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00228

Orginal Article

晶体取向和He浓度对bcc-Fe裂纹扩展行为的影响

王瑾, 余黎明, 黄远, 李会军, 刘永长

天津大学材料科学与工程学院水利安全与仿真国家重点实验室 天津 300354

Effect of Crystal Orientation and He Density on Crack Propagation Behavior of bcc-Fe

WANG Jin, YU Liming, HUANG Yuan, LI Huijun, LIU Yongchang

State Key Lab of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, School of Materials Science & Engineering, Tianjin University, Tianjin 300354, China

中图分类号:  TG111.91

通讯作者:  通讯作者 刘永长,ycliu@tju.edu.cn,主要从事金属结构材料研究

收稿日期: 2017-06-14

网络出版日期:  2018-01-22

版权声明:  2018 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金项目Nos.51325401、51474156和U1660201以及国家磁约束核聚变能源研究专项课题项目No.2015GB119001

作者简介:

作者简介 王 瑾,女,1989年生,博士

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摘要

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。

关键词: bcc-Fe ; 裂纹扩展 ; He浓度 ; 分子动力学

Abstract

Radiation-induced damage, especially the effect of He, has always been one of the crucial issues in future fusion reactors. It is thus essential to further understand the formation of He bubbles and hardening characteristics for future development of fusion application materials, for instance bcc-Fe as a simple model. Behaviors of crack propagation have been investigated in two different orientated cracks (001)[010] and (121)[111] of bcc-Fe models under different densities of He at 300 K by molecular dynamics simulation. The results show that these behaviors are tailored by crack orientations on the condition of non-He atoms: (001)[010] orientated crack can be divided into elastic deformation, phase transformation and cleavage fracture of crack tip along phase transformation zone; however, (121)[111] orientated crack is elastic deformation, stacking twin and after that formation and coalescence of voids to rupture. Furthermore, the yield stress and strain of (121)[111] orientated crack are higher than (001)[010] orientated crack, therefore (121)[111] orientated crack has stronger ability to resist crack propagation. In addition, it is revealed that the influence of He density on the crack propagation exhibits two major aspects: when the density of He is lower (0.9%, atomic fraction), He can reduce the efficiency of phase or twin transformation and decrease the rate of crack propagation; when the density of He is higher (6.0%, atomic fraction), a large number of He clusters contribute to promote micro-voids nucleation, fracture mechanism for both crack models is the transformation of He clusters to voids, then voids coalescence, accelerating the occurrence of fracture. There is no twin or phase transformation in higher density of He.

Keywords: bcc-Fe ; crack propagation ; He density ; molecular dynamics

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王瑾, 余黎明, 黄远, 李会军, 刘永长. 晶体取向和He浓度对bcc-Fe裂纹扩展行为的影响[J]. 金属学报(中文版), 2018, 54(1): 47-54 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00228

WANG Jin, YU Liming, HUANG Yuan, LI Huijun, LIU Yongchang. Effect of Crystal Orientation and He Density on Crack Propagation Behavior of bcc-Fe[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(1): 47-54 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00228

辐照损伤一直是核聚变结构材料领域的一个巨大挑战,这主要归因于2个方面:14 MeV高能中子辐照及逃逸离子的轰击导致的级联碰撞和核擅变产生He、H。级联碰撞会产生大量的移位原子和空位,它们会协同He和H严重破坏材料的微观结构与机械性能。在核工业领域, bcc结构的Fe及铁合金是常见的核结构材料,其中低活性铁素体/马氏体钢是第一壁结构材料最有潜力的候选材料。在核结构材料中,He具有较低的溶解度和移动能,容易扩散偏聚到空位、位错、晶界或者相界等贫原子区,形成He-空位团甚至He泡[1~5],将导致晶粒脆化[6]、材料的空洞肿胀、表面粗糙与起泡等[7]材料宏观性质的改变。同样,H的扩散和偏聚行为也同样会引起氢脆[8~10],这些微观演化将严重降低材料的使用性能和寿命。

材料在制造和辐照损伤过程中总是不可避免地出现空位、孔洞和微裂纹等各种微缺陷,因此材料的破坏往往是从这些微缺陷附近开始萌生。大量实验和计算[11~14]表明,微裂纹的产生和扩展一定程度上决定了材料的服役寿命。目前针对bcc-Fe裂纹的分子动力学模拟已经有大量的研究[15~20],如Cao和Wang[15]模拟了单轴拉伸实验中bcc-Fe裂纹的形变过程;Ma等[16]和Uhnáková等[17~19]模拟研究了循环加载条件下bcc-Fe单晶疲劳裂纹扩展和位错发射机理;此外,Ren和Tang等[20]结合连续动力学模型和分子动力学研究了I型裂纹动态扩展的过程机理。进一步地,Zhou等[21]和曹莉霞等[22]指出,裂纹的扩展行为强烈依赖于裂纹的晶体取向。除晶体取向外,Wu等[23]还阐明了不同温度也会导致裂纹尖端的应力分布和微观结构演化发生变化,裂纹扩展机制可由低温时的脆性解理扩展转变成中高温时空洞形核长大机制。近年来,研究者们考虑了H对裂纹扩展的影响,研究表明,H不仅会引起Fe裂纹内聚能的变化造成局部塑性的提高[24,25],还能够抑制裂纹尖端位错释放,导致材料发生韧性脆性转变[26]。最近,Song等[27]研究了H含量和分布对Fe预置裂纹拉伸行为的影响,发现裂纹扩展行为与H分布和含量有很大关系。然而很少有人研究He对裂纹扩展行为的影响,因此,为了充分理解核结构材料的裂纹扩展行为,本工作模拟研究不同晶体取向和He浓度的bcc-Fe裂纹在拉伸载荷作用下的裂纹扩展行为,探讨晶体取向和He浓度对裂纹扩展行为的微观过程的影响机制。

1 原子模型与方法

利用分子动力学Lammps编码研究(001)[010]和(121)[111] 2种取向bcc-Fe裂纹模型的扩展行为,Fe-He原子间相互作用势函数的选取来自于文献[28]。图1为这2种裂纹的初始构型。对于一个特定的裂纹取向,用裂纹所在的平面和裂纹前沿方向这2个量来进行标定,即(裂纹所在平面)[裂纹前沿方向]的形式。图1a模型中xyz轴取向分别为[100]、[010]和[001];图1b中xyz轴取向分别为[101]、[111]和[121]。在图1a和b中分别置入 (001)[010]和(121)[111] 取向裂纹。裂纹长度均为5 nm,宽度为0.5 nm。然后在2个模型中分别加入浓度(原子分数)为0、0.9%和6.0%的间隙He原子,He原子随机分布在Fe基体中,随后进行模拟。本次模拟选择的模型分为2类,分别为模型A类,代表(001)[010]取向裂纹模型,其中A1~A3分别含有0、0.9%和6.0%的间隙He原子;模型B类,代表(121)[111]取向裂纹模型,其中B1~B3分别含有0、0.9% 和6.0%的间隙He原子。具体尺寸参数如下表1

图1   含(001)[010]和(121)[111]取向裂纹的bcc-Fe模型局部断面视图

Fig.1   Cross sections of bcc-Fe models with (001)[010] orientated crack (a) and (121)[111] orientated crack (b)

在整个模拟过程中,x方向采用周期性边界条件,y方向采用自由边界,z方向采用固定边界。首先,对6种初始构型弛豫,达到能量稳定状态;然后采用NPT恒温恒压系综在300 K下自由弛豫50000步,使整个模拟过程温度保持在300 K不变;最后,对弛豫后的构型沿z方向进行均匀拉伸,加载应变率为1×109 s-1,时间步长为1×10-15 s。

在模拟分析中采用开放性可视化工具(open visualization tool,OVITO)[29],用公共近邻分析法(common neighbor analysis,CNA)分析原子结构的转变。

2 模拟结果与讨论

2.1 不同取向裂纹的扩展行为

图2为2种不同取向裂纹的bcc-Fe模型应力-应变曲线。可以看出,2种不同取向的裂纹模型均经历弹性变形,达到应力最大值。对于(001)[010]取向裂纹模型,在应变ε为0.05时,应力σ达到最大值7.66 GPa;而对于(121)[111]取向裂纹模型,在ε为0.08时,σ达到最大值11.70 GPa。可见,(121)[111]取向裂纹模型的临界应力和应变均要高于(001)[010]取向裂纹模型。随后,2种模型发生塑性变形,(001)[010]取向裂纹模型应力缓慢下降,但(121)[111]取向裂纹模型应力快速下降,最终材料均断裂失效,(001)[010]取向裂纹模型和(121)[111]取向裂纹模型的σ分别维持在2.50和0.90 GPa左右波动。

图2   2种不同取向裂纹的bcc-Fe模型应力-应变曲线

Fig.2   Stress-strain (σ-ε) curves of bcc-Fe models with two different orientated cracks

图3和4分别给出了这2种裂纹模型应变过程中的结构演变图。在图中蓝色原子代表bcc结构原子,白色原子代表错排混乱原子(间隙原子、界面原子),绿色原子代表fcc结构原子。

图3   (001)[010]取向裂纹模型随应变增加的构型演变图

Fig.3   Evolutions of atomistic configurations in (001)[010] orientated crack with increasing strains ε =0 (a), ε =0.05 (b), ε =0.06 (c), ε =0.08 (d), ε =0.10 (e) and ε =0.15 (f) (The bcc atoms were colored in blue, the distorted structure atoms (for example interstitial and interfacial atoms) were colored in white, and the fcc atoms were colored in green)

对于(001)[010]取向裂纹模型,在未拉伸时,裂纹尺寸未发生变化,由于热激活作用,基体中存在少许的间隙原子或空位,如图3a所示。在ε为0.05时,裂纹尖端和模型的四角存在着fcc相变,这主要是由于裂纹尖端和模型的四角极易发生应力集中,造成附近原子晶格错排,导致滑移位错的形成,位错在应力作用下沿与拉伸应力呈45°的方向(即[011]晶向)滑移[30],因此图3b呈现出45°的相变构型,这与以往实验应力诱导相变结论类似[31]。Ohr[32]通过扫描电子显微镜(SEM)也观察到,裂纹裂尖附近会有位错由此发射,进而在滑移面上形成线性排列位错塞积。结合图2,可知这时σ达到最大值7.66 GPa。随后当ε为0.06时,如图3c所示,裂纹尖端相变区已经扩展到边界,且裂纹长度变长,相变已经无法抵制住裂纹的扩展,应力开始缓慢下降[33]。到ε为0.08时,如图3d所示,相变区与裂纹区域相互竞争,两者均进一步变宽,且这时相变区部分消失,转变为许多小bcc晶粒,σ下降到4.49 GPa;之后,当ε到达0.10时,如图3e所示,原相变区边界出现微空洞,σ快速下降,最终导致裂纹扩展改变方向,沿相变区迅速解理断裂,如图3f所示。

表1   含裂纹的bcc-Fe模型几何尺寸

Table 1   Geometrical dimensions of bcc-Fe models with crack

Crack orientationModelx / nmy / nmz / nmAtomic fraction of He / %Number of atom
(001)[010]A1242.842.80314622
A2242.842.80.9317457
A3242.842.86.0333522
(121)[111]B1244.5410315867
B2244.5410.9318710
B3244.5416.0334819

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对于(121)[111]取向裂纹模型,在未拉伸时,基体中也存在少许的间隙原子或空位,如图4a所示。在ε为0.05时,裂纹尖端和模型的四角均未出现相变,而是在裂纹尖端出现堆垛孪晶,这是由a/6[111] Shockley不全位错在(121)滑移面上形核发射并滑移而形成的,这说明在(121)[111]滑移系中,孪晶形变比全位错发射更容易[22],孪晶抵制了裂纹的扩展,导致裂纹尖端钝化,如图4b所示。当ε为0.06时,如图4c所示,裂纹处孪晶进一步扩展长大,σ一直增加到10.79 GPa。当ε为0.08时,σ达到最大值11.60 GPa,这时裂尖的原子键开始破断,与实验中观察的裂尖脆性解理扩展现象[34,35]相类似,同时孪晶尖端有微空洞的萌生,如图4d所示,这主要是与孪晶位错扩展到边界处产生塞积,从而产生很大的应力集中有关。随后σ快速下降,微孔也快速扩展长大,同时仍向四周发射位错,形成新的堆垛孪晶,当ε为0.10时,位错塞积数目不断增加,再一次出现应力集中并形成新的空洞缺陷,如图4e所示。之后多空洞合并长大,最终导致模型断裂,如图4f所示,这种变形趋势与Fu等[36]研究单晶 TiAl 合金微裂纹扩展行为一致。

图4   (121)[111]取向裂纹模型随应变增加的构型演变图

Fig.4   Evolutions of atomistic configurations in (121)[111] orientated crack with increasing strains ε =0 (a), ε =0.05 (b), ε =0.06 (c), ε =0.08 (d), ε =0.10 (e) and ε =0.15 (f)

可见,2种不同取向的裂纹模型在拉伸应变过程中的结构演变展现了截然不同的变化趋势。(001)[010]取向裂纹尖端发生相变,随着应变的增加,裂纹沿相变区发生解理断裂;然而(121)[111]取向裂纹尖端则产生孪晶,孪晶快速扩展导致多空洞合并断裂。这2种不同的裂纹扩展机制主要是由不同的原子结构排布所决定的。(121)[111]取向裂纹模型的临界应力和应变大于(001)[010]取向裂纹模型,这说明(121)[111]取向裂纹具有较强的抵制裂纹扩展的能力。显然,孪晶的出现有利于减缓裂纹开裂扩展速率。

2.2 He浓度对裂纹扩展的影响

图5为在He浓度分别为0.9%和6.0%下2种取向裂纹模型在拉伸应变过程中的应力-应变曲线。如图5所示,随着He原子的加入,2种取向裂纹模型的应力和应变均比无He模型下降很多,这主要是由于He的引入导致材料的破坏。当He浓度分别为0.9%和6.0%时,对于(001)[010]取向裂纹模型,临界应变和应力分别为0.025、0.25 GPa 和0.03、0.21 GPa;对于(121)[111]取向裂纹模型,临界应变和应力分别为0.015、0.40 GPa 和0.025、0.24 GPa。2种裂纹模型应力-应变曲线均存在应力平缓区(stress flat zone),(001)[010]取向裂纹模型在He浓度为0.9%和6.0%时应力平缓区对应的应变范围均为0.01~0.06;而(121)[111]取向裂纹模型在He浓度为6.0%时应力平缓区对应的应变范围为0.01~0.06,在He浓度为0.9%时应力平缓区对应的应变范围却为0.01~0.10,这与无He时的应力-应变曲线不同,可能与He的加入有关。

图5   不同He浓度下2种取向裂纹模型应力-应变曲线

Fig.5   σ-ε curves of bcc-Fe models with different density of He
(a) (001)[010] orientated crack (b) (121)[111] orientated crack

图6   He浓度分别为0.9%和6.0%时(001)[010]取向裂纹模型随应变增加的构型演变图

Fig.6   Evolutions of atomistic configurations in (001)[010] orientated crack with ε =0 (a, d), ε =0.06 (b, e) and ε =0.08 (c, f) under the density of He are 0.9% (a~c) and 6.0% (d~f)

2.2.1 He浓度对(001)[010]取向裂纹扩展的影响 He浓度分别为0.9%和6.0%时(001)[010]取向裂纹模型随应变增加的构型演变图如图6所示。在未拉伸时,不同He浓度下的2种模型基体中,由于He极易发生扩散和聚集成团,均存在许多He团簇,当He浓度较高时,He团簇明显较多、较大,如图6a和d所示。从图6b可见,当He浓度为0.9%,ε为0.06时,σ为0.16 GPa,裂纹尖端和模型的四角存在着fcc相变,但明显比不存在He时相变区面积缩小,且裂纹长度和宽度均小于图3c,这可能是因为He的存在有效阻碍了相变和裂纹的快速扩展,σ下降缓慢,与图5a中的应力变化平缓区相对应;同时发现,图6b中许多尺寸较小的He团簇偏聚于相变区域中,与文献[37]中H在马氏体钢相界面的偏聚断裂行为一致。从图6c可见,ε为0.08时,σ下降到0.07 GPa,尺寸较小的He团簇释放形成小空洞,相变区完全消失,裂纹扩展机制转变为微空洞合并机制,沿原相变区迅速解理断裂。

对于He浓度为6.0%时,在ε为0.06时,较多的He的存在完全抑制了相转变,有效抵制了裂纹的扩展与长大,如图6e所示;ε为0.08时,尺寸较小的He团簇释放形成微空洞,与原裂纹合并致使裂纹快速扩展,如图6f所示。

2.2.2 He浓度对(121)[111]取向裂纹扩展的影响 He浓度分别为0.9%和6.0%时(121)[111]取向裂纹模型随应变增加的构型演变图如图7所示。当He浓度为0.9%时,在未拉伸时,基体中同样存在许多尺寸较小的He团簇,如图7a所示;一直到ε为0.10时,如图7b所示,裂纹变宽,尖端钝化并出现孪晶,但尖端处孪晶尺寸很小,这说明He的存在有效抑制了孪晶转变;同时发现模型右表面处尺寸较小的He团簇因距离表面较近而发生释放,形成小空洞,空洞扩展导致了新的孪晶生成,裂纹扩展仍表现为孪晶的扩展长大,σ缓慢下降到0.18 GPa,这与图5b中的应力变化平缓区相对应;当ε为0.15时,如图7c所示,大量He团簇释放形成微空洞,多空洞合并断裂,这时σ快速下降。当He浓度为6.0%时,ε从0上升至0.15的过程中,裂纹尖端一直未发生孪晶转变,如图7d~f所示;当ε为0.10时,大量He团簇释放形成微空洞,之后与原裂纹合并致使裂纹快速扩展断裂,这与含6.0%He的(001)[010]取向裂纹模型扩展过程相类似。

图7   He浓度分别为0.9%和6.0%时(121)[111]取向裂纹模型随应变增加的构型演变图

Fig.7   Evolutions of atomistic configurations in (121)[111] orientated crack with ε =0 (a, d), ε =0.10 (b, e) and ε =0.15 (c, f) under the density of He are 0.9% (a~c) and 6.0% (d~f)

综上所述,加入不同浓度He的2类裂纹模型随应变增加的构型演变规律主要体现在2个方面:一方面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;另一方面He团簇的存在促进了空洞形成,诱发断裂发生。

2.2.3 不同He浓度时2类裂纹模型对比 当He浓度为0.9%时,(001)[010]取向裂纹尖端发生相变,这与无He时变化相似,但是相变转变速率明显减慢;随着ε增大,尺寸较小的He团簇向相变区集聚;当ε为0.08时,尺寸较小的He团簇释放,促进微裂纹形成,裂纹沿着原相变区加速扩展并断裂。对于(121)[111]取向裂纹模型,与无He相比,裂纹尖端孪晶转变速率也明显减慢,孪晶扩展缓慢;当ε为0.15时,孪晶尖端受到尺寸较小的He团簇的阻碍,这些He团簇释放形成空洞,多空洞合并导致模型断裂。在变形过程中,由于没有相变区存在,(121)[111]取向裂纹模型的裂纹扩展速率慢于(001)[010]取向裂纹模型。可见,相变区有利于He的偏聚行为,加速断裂的发生。

当He浓度为6.0%时,(001)[010]和(121)[111]取向裂纹模型均因存在较多的He,完全抑制了相变和孪晶扩展的发生。2种模型断裂机制均为尺寸较小的He团簇释放形成空洞,与原裂纹合并致使裂纹快速扩展断裂,并且2个模型的屈服应力分别为0.21和0.24 GPa,差距较小。可知,He浓度越大,裂纹取向对断裂机制的影响不大。

3 结论

(1) 裂纹取向不同,裂纹扩展机制不同:对于(001)[010]取向裂纹,扩展机制分为弹性变形、相变、裂纹尖端沿相变区解理断裂;对于(121)[111]取向裂纹,扩展机制分为弹性变形、孪晶扩展、孪晶尖端应力集中诱发多空洞合并断裂。

(2) He浓度的影响主要体现在2个方面:当He浓度较低(0.9%)时,He的存在使(001)[010]取向裂纹尖端钝化,推迟相变发生,同样He抵制(121)[111]取向裂纹尖端孪晶扩展,孪晶扩展速率变慢;当He浓度较高(6.0%)时,2种模型在裂纹扩展过程中无相变或者孪晶出现,断裂机制均是较多He团簇释放形成空洞,多空洞合并加速断裂。这说明He浓度越大,裂纹取向对断裂机制的影响不大,He团簇对模型的破坏起主导作用。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

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