CMS：分子动力学模拟镍中H偏析的对称倾斜晶界裂纹扩展

     氢在自然界中体积最小，很容易进入金属并在晶格中扩散或被各种晶格缺陷捕获。溶质H会降低金属的延展性和断裂韧性，即氢脆现象。H诱导的断裂表面大多表现出晶间特征，表明晶界（GB）是主要的裂纹扩展路径。来自华中科技大学的Jiawei Chen等人首次采用巨正则蒙特卡洛方法获得镍中各种对称倾斜晶界周围的平衡H分布，然后采用分子动力学方法模拟研究H偏析对I型裂纹扩展行为的影响。在没有氢的情况下，观察到显著的裂纹尖端钝化和穿晶断裂，这意味着有发生韧性穿晶断裂的趋势。然而，在H偏析的情况下，发现裂纹尖端的位错发射增强，但裂纹尖端仍然非常尖锐。此外，裂纹扩展由交替的晶界位错发射和晶界解理控制，这意味着韧脆交替晶间断裂行为的趋势。H抑制的GB迁移和H增强的GB位错发射被认为是控制H辅助裂纹沿GB扩展的关键机制。
      建立了对称倾斜晶界上具有边缘裂纹的双晶模型（STGB），以模拟裂纹沿晶界的扩展，如图1所示。STGB尺寸为67nm×63nm×2.0nm，z方向为周期性边界条件，x和y方向为自由边界条件。选择了四种不同的E单元主导STGBs来研究一般晶界上的裂纹扩展，表1给出了每个STGB的倾角α。为了获得STGB周围的平衡H偏析，执行了巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法，通过该方法可以考虑H-H相互作用。在GCMC方法中，温度和体积氢浓度cH决定H分布。将温度设置为300 K，并施加低于500 appm的cH浓度。当Ni-H体系达到稳定状态时，大多数H原子被束缚在晶界平面上，导致局部氢化物的形成。
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图1 模型
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表1

      以∑3(221)STGB晶界为例来说明在没有H偏析和有H偏析的情况下沿着晶界的裂纹扩展。无氢情况下，裂纹沿∑3(221)STGB晶界扩展的过程如图2所示。当外加应力强度因子Kapp1=0.85 MPa时，两个位错从STGB处形核；当Kapp1增加到1.12 MPa√m时，另一个位错从裂纹尖端发出，导致裂纹尖端轻微钝化。说明位错更可能是从晶界而不是从裂纹尖端发出的。随着负载的进一步增加，如图2（d）所示，从晶界中发射出更多的位错。同时，晶界段的原子结构也发生显著变化，如图2（e）所示，并观察到裂纹沿晶界扩展。在2.35 MPa√m下，发射的位错相互作用，导致锁结构的形成，新产生的孪晶界（TB）成为裂纹尖端和STGB之间的桥梁，如图2（f）所示。在2.61 MPa√m时，观察到晶界迁移，在2.91 MPa√m时更为明显。晶界迁移可以显著促进裂纹尖端钝化，如图2（i）所示。可以得出结论，在没有氢的情况下，晶界迁移后，晶界介导的裂纹尖端显著变钝，裂纹最终扩展到晶粒中，呈现穿晶断裂趋势。
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图2 无氢情况下，裂纹沿∑3(221)STGB晶界扩展的过程

      有氢情况下，裂纹沿∑3(221)STGB晶界扩展的过程如图3所示。当Kapp1=0.86 MPa√m时，第一次发射位错，第二个位错在Kapp1=1.08 MPa√m时发射。由于H在∑3(221)STGB晶界周围偏析，裂纹尖端处位错的发射比晶界处更容易。当Kapp1=1.32 MPa√m时，由于氢削弱了镍原子之间的金属键，发生了局部原子畸变，部分位错的Burgers矢量发生必要的原子位移，进而导致裂纹尖端前方的位错发射。在Kapp1=1.50 MPa√m时，锁结构的形成要早于没有氢偏析的情况。晶界位错发射后发生晶界解离，如图3（e）所示。从图3（c）-（g）可以看出，裂纹沿晶界扩展的过程主要由交替的晶界位错发射和晶界解理控制。在Kapp1=2.85 MPa√m时，即使位错发射发生在晶界上的几个位置，原子畸变仅在裂纹尖端附近观察到。可以得出结论，溶质H和裂纹尖端附近的高应力都促进了原子畸变的形成。
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图3 有氢情况下，裂纹沿∑3(221)STGB晶界扩展的过程

      为了说明H对四种E单元为主的STGBs沿线裂纹扩展的影响，在6 MPa√m下，裂纹尖端和具有三种不同体积H浓度的STGBs附近的原子结构如图4所示。在无氢情况下，STGBs沿线裂纹扩展有三个特征，首先，通过位错发射钝化每个STGB上的裂纹尖端；其次，在显著可塑性后观察到晶界迁移。第三，裂纹扩展路径从晶界变为晶粒内部，尤其是对于∑27（552）和∑34（774）STGBs。总的来说，在没有氢偏析的情况下，裂纹以穿晶断裂方式扩展。在氢偏析的情况下，裂纹扩展模式高度依赖于体积氢浓度和晶界类型。在500 appm的高体积氢浓度下，裂纹可以沿着晶界继续扩展，裂纹尖端保持锋利。在50 appm的较低体积氢浓度下∑27（552）和∑34（774）STGBs，H对裂纹扩展的影响类似于500 appm时的影响。然而，对于∑9（221）和∑11（332）STGBs，在体积氢浓度为50 appm时的裂纹扩展与0 appm时的裂纹扩展相似。因此，不同晶界的裂纹扩展模式对体积氢浓度的敏感性不同。
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图4 在6 MPa√m下，裂纹尖端和具有三种不同体积H浓度的STGBs附近的原子结构

      图5绘制了四种STGB的裂纹扩展长度与外部施加应力强度因子曲线，并考虑了不同的体积氢浓度进行比较。当体积氢浓度较低时，裂纹扩展模式主要为TG，没有H偏析的裂纹扩展速度比有H偏析的快。然而，随着体积氢浓度的进一步增加，裂纹扩展模式从TG变为IG，裂纹扩展速度逐渐增加。一旦体积氢浓度达到足够高的水平，裂纹扩展速度高于没有氢偏析的情况。
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图5 裂纹扩展长度与外加应力强度因子的关系

      H抑制的晶界迁移是确保裂纹沿晶界扩展的关键机制，应该注意的是，只有包含特殊结构的晶界段是可移动的。如图6所示，对于没有氢偏析的晶界，在裂纹尖端之前观察到晶界迁移。一般来说，本文考虑的以E单元为主的STGB是不可移动的。然而，在晶界位错发射后，E结构的自由体积迁移改变了晶界的原子结构，这使得剩余的晶界可以移动。此外，由发射位错运动引起的塑性应变在晶界上引起额外的剪切变形。最后，通过上述两种机制激活晶界迁移。对于氢偏析的晶界，仍然可以观察到晶界的位错发射，但晶界迁移受到氢偏析的抑制，如图6所示。具有H偏析的晶界的原子势能低于晶格原子的势能，使得H偏析的晶界成为势能谷。因此，氢偏析显著增强了晶界迁移的临界势垒，这也可以看作是H增强的晶界稳定性。
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图6 晶界迁移

      相关研究成果以“Studying crack propagation along symmetric tilt grain boundary with H segregation in Ni by MD simulation”为题发表在Computational Materials Science（Volume:212,2022,111569）上，作者为Jiawei Chen等人。

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