纳米多晶镍钨合金力学性能的分子动力学研究_周冰娆.pdf

第 47 卷 第 1 期燕山大学学报Vol.47 No.12023 年 1 月Journal of Yanshan UniversityJan 2023文章编号:1007-791X(2023)01-0028-07纳米多晶镍钨合金力学性能的分子动力学研究周冰娆1，毛莹1，李荣斌2，臧志伟1，3，厉勇3，吕知清1，*(1 燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，河北 秦皇岛 066004;2 上海电机学院 上海大件热制造工程技术研究中心，上海 200245;3 钢铁研究总院 特殊钢研究院，北京 100081)收稿日期:2022-04-17责任编辑:唐学庆基金项目:河北省重点研发计划资助项目(20311003D);河北省自然科学基金-高端钢铁冶金联合基金资助项目(E2020203034);上海大件热制造工程技术研究中心资助项目(18DZ2253400)作者简介:周冰娆(1997-)，女，河北邢台人，硕士研究生，主要研究方向为分子动力学模拟;*通信作者:吕知清(1979-)，男，河北秦皇岛人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为材料的组织与性能控制，Email:zqlv ysueducn。摘要:为了研究钨原子分数与平均晶粒尺寸对镍钨合金纳米多晶力学性能的影响，本文运用分子动力学方法在 10 K 与 300 K 时对镍钨合金纳米多晶模型进行拉伸与剪切模拟，计算分析了不同钨原子分数(0%、5%、10%、15%、20%)的镍钨合金的抗拉强度、延伸率与抗剪切性能等力学性能，进一步研究了不同晶粒尺寸(24nm、19 nm、15 nm)对镍钨合金多晶力学性能的影响。结果表明，当镍钨合金纳米多晶中钨原子分数为 0%时，在 10 K 或者 300 K 时，平均晶粒尺寸小的镍钨合金纳米多晶抗拉强度大，但是抗剪切强度反而小;当镍钨合金纳米多晶中钨原子分数在 0%20%之间时，随着钨元素含量的增加，抗拉强度与抗剪强度也逐渐增大;当镍钨合金纳米多晶中钨原子分数在 0%15%之间时，温度为 10 K 或者 300 K 时，平均晶粒尺寸为15 nm的镍钨合金纳米多晶的延伸率大于平均晶粒尺寸为 19 nm 或者 24 nm 的镍钨合金纳米多晶的延伸率。关键词:镍钨合金;纳米多晶;力学性能;分子动力学中图分类号:TG1461+5文献标识码:ADOI:103969/jissn1007-791X2023010030引言随着现代工业的发展，人们对金属性能的要求也日渐提高，合金化是改善材料性能最有效、最直接的方法。镍具有抗腐蚀性能，也是一种优秀的合金基体元素，具有较强的固溶能力，可以添加多种合金元素。钨元素加入镍基体固溶后会产生明显的改性效果，能够有效提高原子间的结合力 1-3。钨在镍中具有较大的溶解度，在镍钨体系中，800 时钨在镍基体中的溶解度可以达到32%，这为钨元素的加入提供了有利条件。镍钨合金具有很多优异的性能，不仅硬度高、熔点高，还具有高耐磨耐腐蚀性和抗高温氧化性能。因此，镍钨合金广泛应用于表面镀层、机械、汽车零部件、医疗器械、航天及军事工业以及铸造模具等方面 4-9。目前，多采用电沉积来制备镍钨合金，进而研究镍钨合金的力学性能 10-14。然而，目前对于镍钨体系的相关数据大多是通过宏观实验观察得来的 15，学者们对镍钨合金的研究深度和广度还远远不够，无论是工艺方面还是理论方面都很薄弱。人们的工作大多通过实验观察到一些现象从而得出一些结果 4，7-8，但是有关于系统性地探究钨元素含量与晶粒尺寸对镍钨合金力学性能影响的研究还较少。作为沟通宏观与微观的桥梁，分子动力学在探究微纳尺度时的材料力学性能方面给出了可观、可信、颇有影响的成果，可以探究纳米尺寸级别的力学性能、载荷卸载后的试样表面形貌和试样内部的原子形态与分布，在金属、非晶、半导体等材料性质的探究中也应用广泛 16。本文以镍钨多晶为研究对象，采用分子动力学方法对不同晶粒尺寸、不同钨元素含量的多晶第 1 期周冰娆 等纳米多晶镍钨合金力学性能的分子动力学研究29进行拉伸和剪切模拟，进一步分析镍钨合金纳米多晶的力学规律，为以后的实验提供理论性依据。1分子动力学模拟本文是通过 Atomsk 建模软件中的 Voronoi 镶嵌方法来建立多晶。首先，确定多晶模型的尺寸。经过多次尝试，在综合考虑计算成本以及模拟结果的可靠性后，建立模型尺寸为 7 nm7 nm14nm 的镍多晶。其次，确定模型中的晶粒个数并计算平均晶粒尺寸。本文中分别建立包含 50、100、200 晶粒数的镍多晶，通过体积法测得镍钨多晶的平均晶粒尺寸分别为 24 nm、19 nm、15 nm。最后，建立钨原子分数不同的镍钨多晶，由于钨原子分数大于 20%时，会析出化合物 Ni4W，而本文主要研究镍钨固溶体的多晶力学性能，因此钨原子分数范围选择在 0%20%之间。本文采用随机替换方法，分别建立钨原子分数为 0%、5%、10%、15%和 20%的镍钨多晶(下文中的钨元素含量皆为原子分数)。多晶模型图如图 1 所示，其中图 1(a)为多晶晶粒分布图，不同晶粒用不同的颜色表示，图 1(b)为多晶中晶格类型分布图，由图 1(b)可见，在晶粒内部，原子的晶格类型大多为 FCC，在晶界处，原子排列无序，为非晶态结构。当晶粒数为 50 时，平均晶粒尺寸为 24 nm，镍钨合金纳米多晶模型图如图 2 所示，其中钨原子分数分别为 5%、10%、15%，20%。采用分子动力学模拟软件 LAMMPS 对镍钨合金纳米多晶进行拉伸和剪切变形的模拟计算。在模拟过程中，沿 Z 轴方向拉伸，沿 X 轴方向剪切。为消除自由表面以及表面重构的影响，模型 X、Y、Z 方向均采用周期性边界条件，使模型成为无限大理想纳米晶体。原子间作用势为 MEAM(Modified Embedded Atom Method)势，采用共轭梯度法对模型进行能量最小化，从而优化模型结构，获得体系的初始化条件 17-18。模拟中采用等温等压系综，时间步长为 0001 ps，对模型驰豫 200 ps，模拟过程中采用 Nose-Hoove 热浴法控制系统温度，为了更加接近实验工艺，本研究选择两个温度环境，分别是常温 300 K 和低温 10 K，以工程应变速率0000 1 ps1和 0000 5 ps1进行拉伸和剪切变形模拟试验 19-20。图 1镍钨多晶模型Fig1Nickel-tungsten polycrystalline model图 2不同钨含量的镍钨合金纳米多晶(24 nm)Fig2Nickel-tungsten polycrystalline with differenttungsten contents(24 nm)2结果分析2124 nm 镍钨多晶模型的力学性能图 3 为 10 K 和 300 K 时不同钨元素含量的 24 nm 镍钨多晶通过分子动力学模拟拉伸和剪切变形得出的应力-应变曲线。从图 3(a)中可以看出，10 K 时，随着钨元素含量的增加，多晶的抗拉强度逐渐增大，最大可达到198 GPa。当钨元素含量为0%时，纳米多晶延伸率为 96%，当钨元素含量范围在 5%到 15%时，随着钨元素含量的增加，多晶的延伸率逐渐增大，但是延伸率始终小于镍多晶的延伸率。300 K时，当钨元素含量增加时，纳米多晶的抗拉强度也逐渐增大，抗拉强度最大可达30燕山大学学报2023到171 GPa。当钨元素的含量为 0%和 5%时，纳米多晶的延伸率相差不大，约为 9%;当钨元素含量为 10%和 15%时，纳米多晶的延伸率略有增大，约为95%;当钨元素含量为 20%时，纳米多晶的延伸率明显增大，约为106%。可见，当镍钨合金纳米多晶中钨元素含量相同时，10 K 时的抗拉强度高于300 K时的抗拉强度。在 10 K 时，随着钨元素含量从 0%增加到 20%，抗拉强度和延伸率也逐渐增大。300 K 时，随着钨元素含量从 0%增加到20%，镍钨合金纳米多晶的抗拉强度也逐渐增大。图 310 K 与 300 K 时不同钨含量多晶(平均晶粒尺寸为24 nm)应力-应变曲线Fig3Stress-strain curves of polycrystalline(the average grain sizeis 24 nm)with different tungsten contents at 10 K and 300 K从图 3(b)中可以看出，在相同钨元素含量下，300 K 时的抗剪强度明显低于 10 K 时的抗剪强度。同一温度时，随着钨元素含量的增加，纳米多晶的抗剪切强度逐渐增大。10 K 时，钨元素含量为 20%的纳米多晶抗剪强度可达到142 GPa，300 K 时，钨元素含量为 20%的纳米多晶抗剪强度可达到 82 GPa。由此可见，当钨元素含量在 0%20%之间时，钨元素的添加对镍钨合金纳米多晶的抗剪切强度有明显的强化作用，钨元素含量越大，强化作用越明显。2219 nm 镍钨多晶模型的力学性能图 4 为 10 K 和 300 K 时不同钨元素含量的 19 nm 镍钨多晶通过分子动力学模拟拉伸和剪切变形得出的应力-应变曲线。从图 4(a)中可以看出，10 K 时，钨元素的增加会增大纳米多晶的抗拉强度。与纯镍多晶(钨元素含量为 0%)相比，镍钨合金多晶的延伸率均低于纯镍多晶的延伸率。300K 时，随着钨元素含量的增加，纳米多晶的抗拉强度也随之增大，抗拉强度最大可达到 170 GPa。可见，钨元素的含量影响着镍钨合金纳米多晶的抗拉强度，钨元素含量越多，抗拉强度越大。10 K和 300 K 时，钨元素含量为 5%的多晶延伸率最小。300 K 时，随着钨元素含量从5%增加到20%，纳米多晶的延伸率也逐渐增大。从图 4(b)中可以看出，当温度相同时，钨元素含量对抗剪强度有明显的影响，随着钨元素含量的增加，纳米多晶的抗剪强度也逐渐增大。可见，镍钨合金纳米多晶中添加钨元素可以强化剪切强度，并且钨元素含量越大，强化效果越明显。当钨元素含量为 20%时，10 K 时，纳米多晶的抗剪强度可达到 118 GPa;300 K 时，纳米多晶的抗剪强度可达到 71 GPa。可见，钨含量相同时，温度对镍钨合金纳米多晶的抗剪强度有明显的影响。2315 nm 镍钨多晶模型的力学性能图 5 为 10 K 和 300 K 时不同钨元素含量的 15 nm 镍钨多晶通过分子动力学模拟拉伸和剪切变形得出的应力-应变曲线。从图 5(a)中可以看出，10 K 时，当钨元素含量从 0%增加到 10%时，纳米多晶的抗拉强度逐渐增大，但是增大效果不明显。当钨含量从 15%变化到 20%时，纳米多晶的抗拉强度有明显的增大。与纯镍纳米多晶相比，添加了钨元素的多晶体延伸率有所减小。300 K 时，随着钨元素含量增加，纳米多晶的抗拉强度明显增大，抗拉强度最大达到 168 GPa。钨元素的增加对纳米多晶的延伸率影响不大。可见，钨元素可以增大镍钨合金纳米多晶的抗拉强度，减小镍钨合金纳米多晶的延伸率，钨元素含量(0%20%)第 1 期周冰娆 等纳米多晶镍钨合金力学性能的分子动力学研究31越多，强化效果越明显。10 K 时，钨元素含量为20%的纳米多晶延伸率最小，300 K 时，钨元素含量为 10%的纳米多晶延伸率最小。图 410 K 与 300 K 时不同钨含量多晶(平均晶粒尺寸为 19 nm)应力-应变曲线Fig4Stress-strain curves of polycrystalline(the average grain size is 19 nm)with different tungsten contents at 10 K and 300 K从图 5(b)中可以看出，10 K 时，钨元素可以增大纳米多晶的抗剪切强度，当钨元素含量从 0%增加到 10%时，抗剪强度也逐渐增大。当钨元素含量从 15%变化到 20%时，二者抗剪切强度相差不大。300 K 时，当钨元素含量逐渐增加时，纳米多晶的抗剪强度也逐渐增大，当钨元素含量增加到 20%时，抗剪强度最大可达到 77 G