钨作为未来聚变反应堆中最有可能全面使用的第一壁等离子体材料,在工作过程中,将与等离子体发生直接相互作用,这会导致钨表面承受强烈的热负荷,而热负荷的作用会致使材料出现应力集中甚至微裂纹成核以及扩展的现象。本文采用分子动力模拟方法,在循环载荷作用以及常温条件下研究了[001](010)裂纹和[10-1](101)裂纹扩展过程中的变形机制以及宏观上表现的断裂行为。为了进一步研究两种不同取向裂纹韧脆性转变的影响因素,我们分别在600 K以及900 K的温度下进行了模拟实验,并且计算了不同温度下对应的峰值应力、应变以及阀值应力强度因子。此外,我们也计算了不同温度条件下塑性区域的应变,用来进一步定量的阐明温度对单晶钨中裂纹扩展断裂行为的影响。随后,我们测量了不同温度条下疲劳裂纹的扩展速率。为了进一步研究金属钨裂纹扩展的断裂行为,我们在5 K以及100 K温度下再次进行了晶界裂纹的断裂行为模拟实验。最后,我们计算了相应的裂纹扩展速率。常温下不同取向单晶钨裂纹模拟的结果表明,不同取向的裂纹在扩展过程中裂纹尖端的变形机制以及断裂行为也不相同。[001](010)裂纹在扩展前期的变形机制是滑移,主要通过韧性开裂的方式扩展,后期的变形机制主要是钝化及空隙成核,宏观上表现为脆性。而[10-1](101)裂纹扩展前期的变形机制是钝化,后期变形机制主要是微裂纹的成核及长大,整个扩展过程宏观上表现为脆性。温度效应的模拟结果表明,温度对[001](010)裂纹的断裂行为影响很大,而[10-1](101)裂纹对温度不敏感。高温时,由于[001](010)裂纹模型中更多的原子处于活跃状态,因此很多的滑移系被激活,裂纹扩展出现了脆韧性转变过程。在900 K,观察到双{110}开裂盘,裂纹扩展的变形机制主要就是滑移及钝化,裂纹尖端附近观察到大量的塑性变形区域,扩展方式表现为韧性开裂。而[10-1](101)裂纹在高温条件下的变形机制依然是钝化以及空隙成核,通过微裂纹成核、长大以及与主裂纹结合的方式扩展,宏观上表现为脆性断裂。阀值应力强度因子也被计算,结果表明,模拟计算值(2.97)与实验值(3～3.5)吻合的非常好。晶界裂纹的模拟结果表明,在5K时,裂纹在扩展到晶界附近之前,晶界主要扮演阻碍的作用。随后,裂纹扩展到晶界处,由于晶界阻碍作用裂纹无法快速穿过裂纹。在几个加载周期以后,由于晶界附近应力集中,此时晶界扮演微观裂纹成核的应力源。主裂纹与微裂纹结合穿过晶界导致裂纹的扩展路径发生改变,此过程裂纹扩展表现为脆性。在100 K时,裂纹在扩展到晶界之前,主要的变形机制就是位错滑移,扩展方式是韧性开裂。对比分析,观察到裂纹在到达晶界附近以后,迅速穿过了晶界,没有观察到在5K时那种明显的阻碍作用。随后,裂纹扩展通过空隙成核,宏观上表现为脆性。简而言之,在扩展初期,晶界扮演阻碍作用;在扩展后期,晶界扮演微观裂纹的应力源,而增加温度能降低晶界的阻碍作用。最后,我们计算了不同条件下的裂纹扩展速率,结果表明,晶界以及温度对裂纹扩展速率有重大的影响。