双相晶体中位错密度梯度对铁基合金裂纹阻滞机制的原子尺度研究

为探究铁基合金中裂纹阻滞机制，研究人员通过分子动力学(MD)方法建立了三种不同晶界(QPF/QPF、QPF/BF、BF/LB)的Fe-Mn二元模型，系统研究了位错密度影响下预制裂纹与微观结构的相互作用行为。研究发现裂纹扩展经历六个阶段，其中QPF/BF双相模型在裂纹萌生(CI)阶段和裂纹尖端非晶区-晶界相互作用(IAG)阶段表现出最优异的裂纹阻滞性能，为铁基合金抗断裂设计提供了重要理论依据。

　　

这项原子尺度研究揭示了双相晶体中位错密度梯度对裂纹阻滞的关键作用。通过构建准多边形铁素体(QPF)/QPF、QPF/贝氏体铁素体(BF)和BF/下贝氏体(LB)三种典型晶界模型，采用分子动力学(MD)模拟捕捉了I型预制裂纹在拉伸载荷下的动态扩展过程。令人惊叹的是，裂纹扩展竟伴随着非晶区域的诞生、演化和相互连接，整个过程可清晰划分为六个特征阶段。在裂纹萌生(CI)阶段，QPF/QPF和QPF/BF模型展现出比BF/LB更显著的阻滞效应；而在裂纹尖端非晶区与晶界相互作用(IAG)阶段，阻滞效能排序则完全逆转。从断裂力学角度综合分析CI和IAG阶段的表现，QPF/BF双相模型在Fe-Mn合金体系中脱颖而出，其独特的微观结构设计为开发高抗裂材料提供了新思路。