周冰娆 毛莹 李荣斌 臧志伟 厉勇 吕知清

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（2.4 nm、1.9 nm、1.5 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1.5 nm的镍钨合金纳米多晶的延伸率大于平均晶粒尺寸为1.9 nm或者2.4 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：TG146.1+5  文献标识码： A  DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2023.01.003

0 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］，學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 nm×7 nm×14 nm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2.4 nm、1.9 nm、1.5 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2.4 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0.001 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0.000 1 ps-1和0.000 5 ps-1进行拉伸和剪切变形模拟试验［19-20］。

2 结果分析

2.1 2.4 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2.4 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19.8 GPa。当钨元素含量为0%时，纳米多晶延伸率为9.6%，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，抗拉强度最大可达到17.1 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9.5%；当钨元素含量为20%时，纳米多晶的延伸率明显增大，约为10.6%。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。

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14.2 GPa，300 K时，钨元素含量为20%的纳米多晶抗剪强度可达到8.2 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。

2.2 1.9 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1.9 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。300 K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17.0 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11.8 GPa；300 K时，纳米多晶的抗剪强度可达到7.1 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。

2.3 1.5 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1.5 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16.8 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%）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。

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7.7 GPa。可见，钨元素可以增大镍钨合金纳米多晶的抗剪强度，且钨元素含量（0%～20%）越大，强化效果越明显。镍钨多晶纳米多晶中的钨元素含量相同时，10 K时镍钨合金纳米多晶的抗剪强度大于300 K时镍钨合金纳米多晶的抗剪强度。

2.4 讨论

图6为10 K和300 K时不同钨含量（0%、5%、10%、15%、20%）下不同晶粒尺寸的镍钨合金纳米多晶通过拉伸和剪切性能模拟计算得到的抗拉强度、抗剪强度以及延伸率的对比图。图6（a）为10 K和300 K时不同钨含量（0%、5%、10%、15%、20%）下纳米多晶的抗拉强度对比。由图6（a）可得，当纳米多晶中钨元素含量为0%时，温度一致时，晶粒尺寸越小，抗拉强度越大。当晶粒尺寸为2.4 nm，温度为10 K时，多晶的抗拉强度最小，仅有11.92 GPa，此温度下，晶粒尺寸为1.9 nm的多晶抗拉强度略高于晶粒尺寸为2.4 nm的多晶，为11.94 GPa。当晶粒尺寸为1.5 nm，温度为300 K时，多晶的抗拉强度最大，为14.89 GPa。在镍纳米多晶中添加鎢元素，可以增大多晶的抗拉强度。当钨元素含量在0%～20%时，钨元素含量越多，抗拉强度强化效果越明显。当钨元素含量为20%时，同一温度下，晶粒尺寸越大，抗拉强度越大，晶粒尺寸为2.4 nm的多晶抗拉强度最大可达到19.84 GPa。

图6（b）为10 K和300 K时不同钨含量（0%、5%、10%、15%、20%）下纳米多晶进行拉伸模拟后的延伸率对比。由图6（b）可得，当钨元素含量从0%增加至15%的过程中，当温度一致，钨元素含量也一致时，此时，延伸率受到晶粒尺寸的影响，晶粒尺寸小的镍钨合金纳米多晶延伸率反而大。但是当钨元素含量为20%时，温度为10 K时，晶粒尺寸为1.5 nm的纳米多晶的延伸率小于晶粒尺寸为1.9 nm或者2.4 nm的纳米多晶的延伸率；300 K时，晶粒尺寸为2.4 nm的纳米多晶的延伸率大于晶粒尺寸为1.9 nm的纳米多晶的延伸率，但是晶粒尺寸为1.5 nm的纳米多晶的延伸率高于其他二者的延伸率。

图6（c）为10 K和300 K时不同钨含量（0%、5%、10%、15%、20%）下纳米多晶的抗拉强度对比。由图6（c）可得，在温度与钨元素含量相同时，平均晶粒尺寸为2.4 nm的多晶抗剪切强度大于平均晶粒尺寸为1.9 nm与1.5 nm的多晶抗剪切强度。与钨元素含量为0%的纳米多晶相比，钨元素可以增大抗剪切强度。钨元素含量在0%～20%之间时，钨元素含量越多，抗剪切强度越大。当多晶中含有钨元素时，在10 K时，晶粒尺寸为2.4 nm的多晶在钨元素含量为20%时抗剪切强度最大，可达到14.27 GPa。在300 K时，晶粒尺寸为1.5 nm的多晶在钨元素含量为5%时抗剪切强度最大，仅3.34 GPa。

3 结论

在10 K和300 K温度条件下，对不同晶粒尺寸（2.4 nm、1.9 nm、1.5 nm）及不同钨元素含量（0%、5%、10%、15%、20%）的镍钨合金纳米多晶模型运用分子动力学进行了拉伸与剪切变形模拟，研究了钨元素含量以及晶粒尺寸对镍钨合金纳米多晶力学性能的影响，得出的结论如下：

1）当镍钨合金纳米多晶中钨元素含量为0%时，相同温度下，平均晶粒尺寸小的镍钨合金纳米多晶抗拉强度大，但是平均晶粒尺寸小的镍钨合金纳米多晶抗剪切强度反而小。当镍钨合金纳米多晶中钨元素含量在0%～20%时，钨元素的添加可以增大多晶的抗拉强度与抗剪切强度，且钨元素含量越多，抗拉强度与抗剪强度越大。当温度与钨元素含量相同时 ，晶粒尺寸会对抗剪切强度产生影响。晶粒尺寸为2.4 nm的多晶抗剪切强度明显大于晶粒尺寸为1.9 nm与1.5 nm的多晶抗剪切强度。

2）当镍钨合金纳米多晶中钨元素含量为0%～15%时，相同温度下，平均晶粒尺寸为1.5 nm的镍钨合金纳米多晶的延伸率大于平均晶粒尺寸为1.9 nm或者2.4 nm的镍钨合金纳米多晶的延伸率。但是当钨元素含量从15%变化到20%时，并未表现出明显的规律，仍需要进一步探究。

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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