周冰嬈 毛瑩 李榮斌 臧志偉 厲勇 呂知清

摘 要：

為了研究鎢原子分?jǐn)?shù)與平均晶粒尺寸對(duì)鎳鎢合金納米多晶力學(xué)性能的影響，本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法在10 K與300 K時(shí)對(duì)鎳鎢合金納米多晶模型進(jìn)行拉伸與剪切模擬，計(jì)算分析了不同鎢原子分?jǐn)?shù)（0%、5%、10%、15%、20%）的鎳鎢合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率與抗剪切性能等力學(xué)性能，進(jìn)一步研究了不同晶粒尺寸（2.4 nm、1.9 nm、1.5 nm）對(duì)鎳鎢合金多晶力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢原子分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，在10 K或者300 K時(shí)，平均晶粒尺寸小的鎳鎢合金納米多晶抗拉強(qiáng)度大，但是抗剪切強(qiáng)度反而??；當(dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢原子分?jǐn)?shù)在0%～20%之間時(shí)，隨著鎢元素含量的增加，抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度也逐漸增大；當(dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢原子分?jǐn)?shù)在0%～15%之間時(shí)，溫度為10 K或者300 K時(shí)，平均晶粒尺寸為1.5 nm的鎳鎢合金納米多晶的延伸率大于平均晶粒尺寸為1.9 nm或者2.4 nm的鎳鎢合金納米多晶的延伸率。

關(guān)鍵詞：

鎳鎢合金；納米多晶；力學(xué)性能；分子動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：TG146.1+5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ?DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2023.01.003

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)金屬性能的要求也日漸提高，合金化是改善材料性能最有效、最直接的方法。鎳具有抗腐蝕性能，也是一種優(yōu)秀的合金基體元素，具有較強(qiáng)的固溶能力，可以添加多種合金元素。鎢元素加入鎳基體固溶后會(huì)產(chǎn)生明顯的改性效果，能夠有效提高原子間的結(jié)合力［1-3］。

鎢在鎳中具有較大的溶解度，在鎳鎢體系中，800 ℃時(shí)鎢在鎳基體中的溶解度可以達(dá)到32%，這為鎢元素的加入提供了有利條件。

鎳鎢合金具有很多優(yōu)異的性能，不僅硬度高、熔點(diǎn)高，還具有高耐磨耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。因此，鎳鎢合金廣泛應(yīng)用于表面鍍層、機(jī)械、汽車零部件、醫(yī)療器械、航天及軍事工業(yè)以及鑄造模具等方面［4-9］。目前，多采用電沉積來制備鎳鎢合金，進(jìn)而研究鎳鎢合金的力學(xué)性能［10-14］。

然而，目前對(duì)于鎳鎢體系的相關(guān)數(shù)據(jù)大多是通過宏觀實(shí)驗(yàn)觀察得來的［15］，學(xué)者們對(duì)鎳鎢合金的研究深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無論是工藝方面還是理論方面都很薄弱。人們的工作大多通過實(shí)驗(yàn)觀察到一些現(xiàn)象從而得出一些結(jié)果［4，7-8］，但是有關(guān)于系統(tǒng)性地探究鎢元素含量與晶粒尺寸對(duì)鎳鎢合金力學(xué)性能影響的研究還較少。作為溝通宏觀與微觀的橋梁，分子動(dòng)力學(xué)在探究微納尺度時(shí)的材料力學(xué)性能方面給出了可觀、可信、頗有影響的成果，可以探究納米尺寸級(jí)別的力學(xué)性能、載荷卸載后的試樣表面形貌和試樣內(nèi)部的原子形態(tài)與分布，在金屬、非晶、半導(dǎo)體等材料性質(zhì)的探究中也應(yīng)用廣泛［16］。

本文以鎳鎢多晶為研究對(duì)象，采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同晶粒尺寸、不同鎢元素含量的多晶進(jìn)行拉伸和剪切模擬，進(jìn)一步分析鎳鎢合金納米多晶的力學(xué)規(guī)律，為以后的實(shí)驗(yàn)提供理論性依據(jù)。

1 ?分子動(dòng)力學(xué)模擬

本文是通過Atomsk建模軟件中的Voronoi鑲嵌方法來建立多晶。首先，確定多晶模型的尺寸。經(jīng)過多次嘗試，在綜合考慮計(jì)算成本以及模擬結(jié)果的可靠性后，建立模型尺寸為7 nm×7 nm×14 nm的鎳多晶 。其次，確定模型中的晶粒個(gè)數(shù)并計(jì)算平均晶粒尺寸。本文中分別建立包含50、100、200晶粒數(shù)的鎳多晶，通過體積法測(cè)得鎳鎢多晶的平均晶粒尺寸分別為2.4 nm、1.9 nm、1.5 nm。最后，建立鎢原子分?jǐn)?shù)不同的鎳鎢多晶，由于鎢原子分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，會(huì)析出化合物Ni4W，而本文主要研究鎳鎢固溶體的多晶力學(xué)性能，因此鎢原子分?jǐn)?shù)范圍選擇在0%～20%之間 。本文采用隨機(jī)替換方法，分別建立鎢原子分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%、15%和20%的鎳鎢多晶（下文中的鎢元素含量皆為原子分?jǐn)?shù)）。多晶模型圖如圖1所示，其中圖1（a）為多晶晶粒分布圖，不同晶粒用不同的顏色表示，圖1（b）為多晶中晶格類型分布圖，由圖1（b）可見，在晶粒內(nèi)部，原子的晶格類型大多為FCC，在晶界處，原子排列無序，為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶粒數(shù)為50時(shí)，平均晶粒尺寸為2.4 nm，鎳鎢合金納米多晶模型圖如圖2所示，其中鎢原子分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%，20%。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS對(duì)鎳鎢合金納米多晶進(jìn)行拉伸和剪切變形的模擬計(jì)算。

在模擬過程中，沿Z軸方向拉伸，沿X軸方向剪切。為消除自由表面以及表面重構(gòu)的影響，模型X、Y、Z方向均采用周期性邊界條件，使模型成為無限大理想納米晶體。原子間作用勢(shì)為MEAM（Modified Embedded Atom Method）勢(shì)，采用共軛梯度法對(duì)模型進(jìn)行能量最小化，從而優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，獲得體系的初始化條件［17-18］。模擬中采用等溫等壓系綜，時(shí)間步長為0.001 ps，對(duì)模型馳豫200 ps，模擬過程中采用Nose-Hoove熱浴法控制系統(tǒng)溫度，為了更加接近實(shí)驗(yàn)工藝，本研究選擇兩個(gè)溫度環(huán)境，分別是常溫300 K和低溫10 K，以工程應(yīng)變速率0.000 1 ps-1和0.000 5 ps-1進(jìn)行拉伸和剪切變形模擬試驗(yàn)［19-20］。

2 結(jié)果分析

2.1 2.4 nm鎳鎢多晶模型的力學(xué)性能

圖3為10 K和300 K時(shí)不同鎢元素含量的2.4 nm鎳鎢多晶通過分子動(dòng)力學(xué)模擬拉伸和剪切變形得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3（a）中可以看出，10 K時(shí)，隨著鎢元素含量的增加，多晶的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，最大可達(dá)到19.8 GPa。當(dāng)鎢元素含量為0%時(shí)，納米多晶延伸率為9.6%，當(dāng)鎢元素含量范圍在5%到15%時(shí)，隨著鎢元素含量的增加，多晶的延伸率逐漸增大，但是延伸率始終小于鎳多晶的延伸率。300 K時(shí)，當(dāng)鎢元素含量增加時(shí)，納米多晶的抗拉強(qiáng)度也逐漸增大，抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)到17.1 GPa。當(dāng)鎢元素的含量為0%和5%時(shí)，納米多晶的延伸率相差不大，約為9%；當(dāng)鎢元素含量為10%和15%時(shí)，納米多晶的延伸率略有增大，約為9.5%；當(dāng)鎢元素含量為20%時(shí)，納米多晶的延伸率明顯增大，約為10.6%?？梢姡?dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢元素含量相同時(shí)，10 K時(shí)的抗拉強(qiáng)度高于300 K時(shí)的抗拉強(qiáng)度。在10 K時(shí)，隨著鎢元素含量從0%增加到20%，抗拉強(qiáng)度和延伸率也逐漸增大。300 K時(shí)，隨著鎢元素含量從0%增加到20%，鎳鎢合金納米多晶的抗拉強(qiáng)度也逐漸增大。

從圖3（b）中可以看出，在相同鎢元素含量下，300 K時(shí)的抗剪強(qiáng)度明顯低于10 K時(shí)的抗剪強(qiáng)度。同一溫度時(shí)，隨著鎢元素含量的增加，納米多晶的抗剪切強(qiáng)度逐漸增大。10 K時(shí)，鎢元素含量為20%的納米多晶抗剪強(qiáng)度可達(dá)到14.2 GPa，300 K時(shí)，鎢元素含量為20%的納米多晶抗剪強(qiáng)度可達(dá)到8.2 GPa。由此可見，當(dāng)鎢元素含量在0%～20%之間時(shí)，鎢元素的添加對(duì)鎳鎢合金納米多晶的抗剪切強(qiáng)度有明顯的強(qiáng)化作用，鎢元素含量越大，強(qiáng)化作用越明顯。

2.2 1.9 nm鎳鎢多晶模型的力學(xué)性能

圖4為10 K和300 K時(shí)不同鎢元素含量的1.9 nm鎳鎢多晶通過分子動(dòng)力學(xué)模擬拉伸和剪切變形得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4（a）中可以看出，10 K時(shí)，鎢元素的增加會(huì)增大納米多晶的抗拉強(qiáng)度。與純鎳多晶（鎢元素含量為0%）相比，鎳鎢合金多晶的延伸率均低于純鎳多晶的延伸率。300 K時(shí)，隨著鎢元素含量的增加，納米多晶的抗拉強(qiáng)度也隨之增大，抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)到17.0 GPa?？梢姡u元素的含量影響著鎳鎢合金納米多晶的抗拉強(qiáng)度，鎢元素含量越多，抗拉強(qiáng)度越大。10 K和300 K時(shí)，鎢元素含量為5%的多晶延伸率最小。300 K時(shí)，隨著鎢元素含量從5%增加到20%，納米多晶的延伸率也逐漸增大。

從圖4（b）中可以看出，當(dāng)溫度相同時(shí)，鎢元素含量對(duì)抗剪強(qiáng)度有明顯的影響，隨著鎢元素含量的增加，納米多晶的抗剪強(qiáng)度也逐漸增大?？梢?，鎳鎢合金納米多晶中添加鎢元素可以強(qiáng)化剪切強(qiáng)度，并且鎢元素含量越大，強(qiáng)化效果越明顯。當(dāng)鎢元素含量為20%時(shí)，10 K時(shí)，納米多晶的抗剪強(qiáng)度可達(dá)到11.8 GPa；300 K時(shí)，納米多晶的抗剪強(qiáng)度可達(dá)到7.1 GPa?？梢姡u含量相同時(shí)，溫度對(duì)鎳鎢合金納米多晶的抗剪強(qiáng)度有明顯的影響。

2.3 1.5 nm鎳鎢多晶模型的力學(xué)性能

圖5為10 K和300 K時(shí)不同鎢元素含量的1.5 nm鎳鎢多晶通過分子動(dòng)力學(xué)模擬拉伸和剪切變形得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖5（a）中可以看出，10 K時(shí)，當(dāng)鎢元素含量從0%增加到10%時(shí)，納米多晶的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，但是增大效果不明顯。當(dāng)鎢含量從15%變化到20%時(shí)，納米多晶的抗拉強(qiáng)度有明顯的增大。與純鎳納米多晶相比，添加了鎢元素的多晶體延伸率有所減小。300 K時(shí)，隨著鎢元素含量增加，納米多晶的抗拉強(qiáng)度明顯增大，抗拉強(qiáng)度最大達(dá)到16.8 GPa。鎢元素的增加對(duì)納米多晶的延伸率影響不大?？梢?，鎢元素可以增大鎳鎢合金納米多晶的抗拉強(qiáng)度，減小鎳鎢合金納米多晶的延伸率，鎢元素含量（0%～20%）越多，強(qiáng)化效果越明顯。10 K時(shí)，鎢元素含量為20%的納米多晶延伸率最小，300 K時(shí)，鎢元素含量為10%的納米多晶延伸率最小。

從圖5（b）中可以看出，10 K時(shí)，鎢元素可以增大納米多晶的抗剪切強(qiáng)度，當(dāng)鎢元素含量從0%增加到10%時(shí)，抗剪強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)鎢元素含量從15%變化到20%時(shí)，二者抗剪切強(qiáng)度相差不大。300 K時(shí)，當(dāng)鎢元素含量逐漸增加時(shí)，納米多晶的抗剪強(qiáng)度也逐漸增大，當(dāng)鎢元素含量增加到20%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大可達(dá)到7.7 GPa?？梢姡u元素可以增大鎳鎢合金納米多晶的抗剪強(qiáng)度，且鎢元素含量（0%～20%）越大，強(qiáng)化效果越明顯。鎳鎢多晶納米多晶中的鎢元素含量相同時(shí)，10 K時(shí)鎳鎢合金納米多晶的抗剪強(qiáng)度大于300 K時(shí)鎳鎢合金納米多晶的抗剪強(qiáng)度。

2.4 討論

圖6為10 K和300 K時(shí)不同鎢含量（0%、5%、10%、15%、20%）下不同晶粒尺寸的鎳鎢合金納米多晶通過拉伸和剪切性能模擬計(jì)算得到的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及延伸率的對(duì)比圖。圖6（a）為10 K和300 K時(shí)不同鎢含量（0%、5%、10%、15%、20%）下納米多晶的抗拉強(qiáng)度對(duì)比。由圖6（a）可得，當(dāng)納米多晶中鎢元素含量為0%時(shí)，溫度一致時(shí)，晶粒尺寸越小，抗拉強(qiáng)度越大。當(dāng)晶粒尺寸為2.4 nm，溫度為10 K時(shí)，多晶的抗拉強(qiáng)度最小，僅有11.92 GPa，此溫度下，晶粒尺寸為1.9 nm的多晶抗拉強(qiáng)度略高于晶粒尺寸為2.4 nm的多晶，為11.94 GPa。當(dāng)晶粒尺寸為1.5 nm，溫度為300 K時(shí)，多晶的抗拉強(qiáng)度最大，為14.89 GPa。在鎳納米多晶中添加鎢元素，可以增大多晶的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)鎢元素含量在0%～20%時(shí)，鎢元素含量越多，抗拉強(qiáng)度強(qiáng)化效果越明顯。當(dāng)鎢元素含量為20%時(shí)，同一溫度下，晶粒尺寸越大，抗拉強(qiáng)度越大，晶粒尺寸為2.4 nm的多晶抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)到19.84 GPa。

圖6（b）為10 K和300 K時(shí)不同鎢含量（0%、5%、10%、15%、20%）下納米多晶進(jìn)行拉伸模擬后的延伸率對(duì)比。由圖6（b）可得，當(dāng)鎢元素含量從0%增加至15%的過程中，當(dāng)溫度一致，鎢元素含量也一致時(shí)，此時(shí)，延伸率受到晶粒尺寸的影響，晶粒尺寸小的鎳鎢合金納米多晶延伸率反而大。但是當(dāng)鎢元素含量為20%時(shí)，溫度為10 K時(shí)，晶粒尺寸為1.5 nm的納米多晶的延伸率小于晶粒尺寸為1.9 nm或者2.4 nm的納米多晶的延伸率；300 K時(shí)，晶粒尺寸為2.4 nm的納米多晶的延伸率大于晶粒尺寸為1.9 nm的納米多晶的延伸率，但是晶粒尺寸為1.5 nm的納米多晶的延伸率高于其他二者的延伸率。

圖6（c）為10 K和300 K時(shí)不同鎢含量（0%、5%、10%、15%、20%）下納米多晶的抗拉強(qiáng)度對(duì)比。由圖6（c）可得，在溫度與鎢元素含量相同時(shí)，平均晶粒尺寸為2.4 nm的多晶抗剪切強(qiáng)度大于平均晶粒尺寸為1.9 nm與1.5 nm的多晶抗剪切強(qiáng)度。與鎢元素含量為0%的納米多晶相比，鎢元素可以增大抗剪切強(qiáng)度。鎢元素含量在0%～20%之間時(shí)，鎢元素含量越多，抗剪切強(qiáng)度越大。當(dāng)多晶中含有鎢元素時(shí)，在10 K時(shí)，晶粒尺寸為2.4 nm的多晶在鎢元素含量為20%時(shí)抗剪切強(qiáng)度最大，可達(dá)到14.27 GPa。在300 K時(shí)，晶粒尺寸為1.5 nm的多晶在鎢元素含量為5%時(shí)抗剪切強(qiáng)度最大，僅3.34 GPa。

3 結(jié)論

在10 K和300 K溫度條件下，對(duì)不同晶粒尺寸（2.4 nm、1.9 nm、1.5 nm）及不同鎢元素含量（0%、5%、10%、15%、20%）的鎳鎢合金納米多晶模型運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了拉伸與剪切變形模擬，研究了鎢元素含量以及晶粒尺寸對(duì)鎳鎢合金納米多晶力學(xué)性能的影響，得出的結(jié)論如下：

1）當(dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢元素含量為0%時(shí)，相同溫度下，平均晶粒尺寸小的鎳鎢合金納米多晶抗拉強(qiáng)度大，但是平均晶粒尺寸小的鎳鎢合金納米多晶抗剪切強(qiáng)度反而小。當(dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢元素含量在0%～20%時(shí)，鎢元素的添加可以增大多晶的抗拉強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度，且鎢元素含量越多，抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度越大。當(dāng)溫度與鎢元素含量相同時(shí) ，晶粒尺寸會(huì)對(duì)抗剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響。晶粒尺寸為2.4 nm的多晶抗剪切強(qiáng)度明顯大于晶粒尺寸為1.9 nm與1.5 nm的多晶抗剪切強(qiáng)度。

2）當(dāng)鎳鎢合金納米多晶中鎢元素含量為0%～15%時(shí)，相同溫度下，平均晶粒尺寸為1.5 nm的鎳鎢合金納米多晶的延伸率大于平均晶粒尺寸為1.9 nm或者2.4 nm的鎳鎢合金納米多晶的延伸率。但是當(dāng)鎢元素含量從15%變化到20%時(shí)，并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，仍需要進(jìn)一步探究。

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Molecular dynamics study on mechanical properties of nano-polycrystalline nickel-tungsten alloy

ZHOU Bingrao1， MAO Ying1， LI Rongbin2， ZANG Zhiwei1，3， LI Yong3，L Zhiqing1

（1.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science （Yanshan University）， Ministry of Education of China，Qinhuangdao，Hebei 066004， China;

2. Shanghai Engineering Research Center of Hot Manufacturing， Shanghai Dianji University，Shanghai 200245， China;

3. Special Steel Research Institute，Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081， China）

Abstract：

In order to study the effect of tungsten atomic percentage and average grain size on the mechanical properties of nickel-tungsten alloy nanocrystalline， the molecular dynamics method is used to simulate the tensile and shear of nickel tnickel-tungsten nanopolycrystalline model at 10 K and 300 K.The mechanical properties such as tensile strength， elongation and shear resistance of nickel-tungsten alloys with different tungsten atomic percentages （0%， 5%， 10%， 15%， 20%） are analyzed and the effects of different grain sizes （2.4 nm， 1.9 nm， 1.5 nm） on the mechanical properties of nickel-tungsten alloy polycrystalline are further studied.The results show that when the tungsten atomic percentage in the nickel-tungsten alloy nanopolycrystalline is 0%， at 10 K or 300 K， the tensile strength of the nickel-tungsten alloy nanopolycrystalline with small average grain size is large， but the shear strength is small.When the tungsten atomic percentage in the nickel-tungsten alloy nanopolycrystalline is 0%～20%， the tensile strength and shear strength increase with the increase of tungsten content.When the tungsten atomic percentage in nickel-tungsten alloy nanopolycrystalline is 0%～15% and the temperature is 10 K or 300 K， the elongation of nickel-tungsten alloy nanopolycrystalline with average grain size of 1.5 nm is greater than that of nickel-tungsten alloy nanocrystalline with average grain size of 1.9 nm or 2.4 nm.

Keywords： nickel-tungsten alloys; nano-polycrystalline; mechanical properties; molecular dynamics