《Tungsten》研究文章：超快冲击压缩下钨晶格脆化机制

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摘要

金属钨及其合金材料以其超高的机械强度、优异的耐腐蚀性与抗辐射性而在核反应堆、高强度装甲等方面有着广阔的应用前景，然而，钨基合金本身的硬脆性及高辐射环境中辐射损伤产生的应力裂纹、位错环和气泡等缺陷极大地降低了其机械强度和使用寿命。

激光冲击强化是一种先进的金属材料表面强化技术，激光诱导的等离子体冲击效应在金属表层产生的超快压缩形变可以有效改善金属表面的机械强度、耐腐蚀性和疲劳寿命等。超快应变下钨晶格内的缺陷演化研究有助于揭示钨基金属在外力作用下的微观缺陷演变及脆化机制，对于推动钨质合金材料的强化、脆化及缺陷研究具有重要意义。

近来，武汉大学 曹强研究员、法赫德国王石油与矿产大学 彭庆教授联合团队采用大尺度分子动力学方法，系统讨论了超快冲击压缩应变下钨晶格脆化机制，表现为不同晶格缺陷种类的增殖演化及相互作用，包括位错增殖与运动、空位演化、缺陷原子团簇对位错滑移的钉扎效应等。该工作发表于英文期刊《Tungsten》，标题为“Fragility under shocking: molecular dynamics insights into defect evolutions in tungsten lattice”。

图文详情

图1展示了钨晶格中不同尺寸的空位缺陷在超快冲击压缩应变下的演化过程，表明空位缺陷的存在促进了缺陷原子团簇沿固定晶向的扩展及少量位错成核，此外，与完美晶格相比，空位缺陷加速了钨晶格的弹性形变进程，降低了晶格的弹性屈服应变与强度。

图1 不同空位尺寸预存的钨晶格中的超快缺陷演化

图2 超快应变下钨晶格内的缺陷增殖及相互作用

 图2 所示为钨晶格内不同种类的缺陷在超快压缩应变下的大量增殖及相互作用效果，相比于完美晶格，位错及空位等缺陷的存在大大降低了晶格的弹性屈服强度，而超快应变下位错的大量增殖及相互缠结、缺陷原子团簇对位错运动的阻碍作用有效提高了晶格的极限强度，增强了钨晶格的硬脆性。此外，空位缺陷促进了自身周围区域的位错成核生长，在一定程度上抑制了距自身较远区域的位错增殖。

缺陷增殖与演化是金属晶格在外力作用下不可避免的现象，且其微观相互作用机制对金属的宏观机械性质将产生直接的影响，除了钨晶格内的缺陷演化机制外，更进一步的研究需要集中在超快应变下的晶间相互作用及复杂多相合金中的多种相缺陷、晶格缺陷的相互作用。

总结与展望

分子动力学研究表明，在超快压缩应变下，金属钨比铁拥有更强的硬脆性，空位缺陷的存在促进了缺陷网结构的扩展及自身周围区域的位错成核，从而缩短了钨晶格的弹性变形阶段，降低了屈服应变和弹性极限强度。位错的成核生长、快速增殖及滑移运动是晶格塑性形变的主要现象，位错的运动加速了晶格的屈服过程，降低了钨晶格的弹性力学性能。

大量位错的相互缠结及复杂缺陷网结构对位错运动的钉扎效应可以有效提升晶格的力学性能，同时也增强了晶格的硬脆性，是金属晶格应变强化的主要机制。这些原子水平的认知丰富了钨基金属强化与缺陷演变的理论体系，对钨基金属材料的设计和制造有重要的参考意义。

引用

Wang PJ, Cao Q, Liu S, Peng Q. Fragility under shocking: molecular dynamics insights into defect evolutions in tungsten lattice. Tungsten. 2021. https://doi.org/10.1007/s42864-021-00087-5

全文链接

https://doi.org/10.1007/s42864-021-00087-5

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：王鹏洁。

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专刊介绍

作者简介

彭庆

彭庆，法赫德国王石油与矿产大学物理系教授，北京大学学士学位，宾厄姆顿大学硕士学位，康涅狄格大学博士学位。研究方向集中在计算材料物理和力学，尤其是辐射材料的多尺度和第一性原理计算研究，在Nature Communications，Advanced Materials，Carbon，Materials & Design, Scripta Materialia等国际著名杂志均有论文发表。

曹强

曹强，武汉大学工业科学研究院研究员，山东大学学士学位，中科院物理所博士学位。主要工作集中在激光技术及其应用，包括飞秒激光超快加工、功能性微纳器件制造及其多尺度模拟研究等。工作成果发表在Physical Review Letters，ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry C, Materials & Design, Nanoscale等国际一流学术期刊。

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