基于MD探究FeO/Fe中晶內(nèi)微孔洞對FeO破裂的影響
樊銘洋1，周存龍1,2，段晶晶1，龔建雄1，馬國財(cái)3
(1. 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2. 太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024；3. 日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司ESP制造部， 山東 日照 276806)
摘要：氧化皮中的微孔洞直接影響著氧化皮的破裂性能。利用分子動力學(xué)（MD）模擬軟件Lammps對含有微孔洞的FeO/Fe多晶模型進(jìn)行拉伸模擬，研究了不同微孔洞數(shù)量情況下微孔洞尺寸對多晶FeO/Fe模型拉伸斷裂的影響。研究發(fā)現(xiàn)，微孔洞數(shù)量相同時(shí)，F(xiàn)eO模型的抗拉強(qiáng)度隨孔洞尺寸的增大呈現(xiàn)“下降→上升→下降”的趨勢，表明了在一定范圍內(nèi)的孔洞尺寸會提高材料的抗拉強(qiáng)度，然而，此時(shí)的孔洞尺寸會降低材料的斷裂韌性。中心對稱參數(shù)CSP顯示，原子紊亂程度由高到低的區(qū)域依次為孔洞處、晶界處、FeO/Fe界面處及FeO晶粒內(nèi)部。研究結(jié)果為氧化皮的破裂機(jī)理提供了新的研究思路。
關(guān)鍵詞：分子動力學(xué)模擬； 多晶FeO/Fe； 孔洞數(shù)量； 孔洞尺寸； 抗拉強(qiáng)度； 斷裂韌性
1 引言
孔洞作為氧化皮中一種典型的結(jié)構(gòu)缺陷，對氧化皮的破裂有顯著影響。近年來，關(guān)于孔洞造成材料破壞的研究越來越多，研究表明位錯的運(yùn)動與材料內(nèi)部孔洞密切相關(guān)，微孔洞、微裂紋等損傷結(jié)構(gòu)可作為位錯源，在外力作用下會逐漸發(fā)生交互作用，最終合并、連通形成宏觀可觀察到的裂紋。帶鋼表面氧化皮與金屬基體之間會形成FeO/Fe的界面層，F(xiàn)eO內(nèi)部的孔洞會導(dǎo)致局部強(qiáng)度減弱，使FeO內(nèi)部斷裂，進(jìn)而影響氧化皮的破裂臨界值發(fā)生變化。
由于孔洞對氧化皮結(jié)構(gòu)的影響極為復(fù)雜，人們在宏觀、微觀尺度上做了大量研究。例如，張校誠等從宏觀上討論了氧化皮孔洞和厚度對其破裂的影響，結(jié)果表明在某些情況下孔洞對氧化皮破裂的影響更大；YAN J等研究了18%鉻奧氏體鋼的氧化物裂解行為，并討論了孔隙在雙相氧化物層界面上的作用；Gesmundo F等探究了氧化過程氧化層-基體界面之間孔洞的產(chǎn)生機(jī)理；Desgranges C等建立了孔洞擴(kuò)展的數(shù)值模型，基于經(jīng)典的成核理論討論了外力作用下孔洞在氧化皮中形核、進(jìn)而促使氧化皮破裂的過程；范益等從微觀尺度觀察到熱軋鋼板底部已形成2~3 μm的氧化皮，氧化皮內(nèi)部出現(xiàn)明顯的疏松孔洞和微裂紋；CUI Y等發(fā)現(xiàn)初始孔洞形狀決定位錯發(fā)射的起始應(yīng)變。
然而，在宏觀、微觀尺度上的分析尚不足以解釋破壞機(jī)制?？锥丛诓牧蠌?qiáng)度方面起著雙重作用，較小的微孔洞作為釘扎中心，抑制位錯的運(yùn)動，從而提高材料的力學(xué)性能；而較大的孔洞為引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞提供了條件，加速材料破壞。Rajput A研究了單晶銅在孔洞存在時(shí)的變形和損傷機(jī)理，在拉伸和壓縮不同的變形模式下，孔洞的存在會引起力學(xué)性能的改變；YAN J M等通過斷裂測量和建模分析表明，少量的原子缺陷可以提高ws2納米管的強(qiáng)度；陳明等通過研究在拉伸作用下含有不同尺寸孔洞的納米單晶銅桿的應(yīng)力分布情況，計(jì)算得到其應(yīng)力集中系數(shù)為2~4。上述研究是基于分子動力學(xué)(Molecular Dynamics, MD)方法，從納觀尺度分析微孔洞的生長機(jī)制并描述材料的力學(xué)行為，若要更好地理解氧化皮的破裂機(jī)理，必須從更微觀的角度分析外部載荷下的裂紋擴(kuò)展、位錯發(fā)生等，該方法恰好為從原子尺度上分析微孔洞對氧化皮的破裂機(jī)制提供了有效手段。
本文采用分子動力學(xué)模擬方法，研究不同孔洞數(shù)量情況下，微孔洞尺寸對FeO/Fe多晶中FeO模型拉伸失效的影響，以進(jìn)一步掌握氧化皮的破裂機(jī)理。
2 精選圖表
3 結(jié)論
本文分別研究了3種不同數(shù)量的微孔洞對多晶FeO/Fe中FeO模型拉伸失效的影響，得出以下結(jié)論：
(1)從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，在彈性階段孔洞數(shù)量對彈性模量影響甚微；孔洞數(shù)量相同時(shí)，隨著孔洞半徑從0 nm增大至1.5 nm，應(yīng)力峰值呈“下降→上升→下降”的變化趨勢。
(2)一定范圍內(nèi)的微孔洞既會增強(qiáng)材料的抗拉強(qiáng)度，又會降低斷裂韌性。單孔洞孔隙率為0.052%、孔洞半徑為0.5 nm時(shí)，會增強(qiáng)FeO多晶模型的抗拉強(qiáng)度，降低其斷裂韌性；雙孔洞和四孔洞孔隙率分別為0.858%和1.716%、孔洞半徑均為1.0 nm時(shí)，會增強(qiáng)FeO多晶模型的抗拉強(qiáng)度，降低其斷裂韌性。
(3)從CSP值分布可看出，原子紊亂程度由高到低的區(qū)域依次為孔洞處、晶界處、FeO/Fe界面處及FeO多晶內(nèi)部。
