本文選題：分子動(dòng)力學(xué)　切入點(diǎn)：循環(huán)加載　出處：《湖南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：采用分子動(dòng)力學(xué)的方法(MD),結(jié)合改進(jìn)分析型嵌入原子方法(MAEAM),從微觀角度研究了鐵、鎳及鎳基合金的疲勞斷裂行為。探討了金屬中疲勞裂紋的斷裂方式以及尖端的變形機(jī)制,并且通過(guò)計(jì)算裂紋長(zhǎng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化分析了裂紋擴(kuò)展速率。同時(shí)還討論了晶向、溫度及界面對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。研究了單晶鐵疲勞裂紋擴(kuò)展行為,探討了不同晶體取向裂紋模型的擴(kuò)展方式和裂紋尖端的變形機(jī)制。在常溫下,[001](010)裂紋表現(xiàn)出韌性開(kāi)裂,裂紋尖端主要的變形機(jī)制為剪切滑移帶,滑移系為111{110};而[110](110)裂紋表現(xiàn)出脆性斷裂,滑移系為110{110};對(duì)于[112](111)裂紋,空洞和空位是疲勞裂紋尖端主要的變形機(jī)制。當(dāng)溫度從300K升到600K時(shí),裂紋尖端的變形機(jī)制發(fā)生了改變。[001](010)裂紋在高溫時(shí)尖端還出現(xiàn)了空洞和部分FCC相變,而[110](110)裂紋尖端的變形主要為空洞和微裂紋,[11 2](111)裂紋在高溫時(shí)表現(xiàn)出脆性斷裂。同時(shí),溫度對(duì)不同晶向的裂紋擴(kuò)展速率的影響也不同。另外,研究了?3和?5兩種晶界模型在常溫下對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明,?3模型中,晶界對(duì)裂紋的阻礙作用失效,裂紋以鈍化效應(yīng)的方式快速擴(kuò)展;而在?5晶界模型中,晶界的兩側(cè)形成了兩個(gè)對(duì)稱的滑移區(qū)域,從而有效的阻礙了裂紋的快速擴(kuò)展,降低了裂紋的擴(kuò)展速率。以單晶鎳為對(duì)象,研究了不同結(jié)構(gòu)金屬中疲勞裂紋擴(kuò)展行為,發(fā)現(xiàn)在單晶鎳中,[001](010)裂紋在常溫下以鈍化效應(yīng)開(kāi)始萌發(fā),而在裂紋擴(kuò)展中,駐留滑移帶是裂紋前端主要的變形機(jī)制,滑移系為[110](111);[110](110)裂紋尖端的主要變形為位錯(cuò)線,并且在(111)面形成了滑移帶;而[11 2](111)裂紋尖端的滑移帶卻沿著[123]和[132]方向滑移,滑移面為{111}面。當(dāng)溫度從300K升到600K時(shí),不同晶向裂紋的擴(kuò)展速率隨著溫度升高都是增加的,與常溫下相比,高溫導(dǎo)致裂紋尖端滑移帶數(shù)量增多,但沒(méi)有改變裂紋尖端的變形機(jī)制。同時(shí)也討論了?3和?5晶界模型在常溫下對(duì)單晶鎳疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。與單晶鐵相比,單晶鎳中?3界面在裂紋擴(kuò)展前發(fā)生了劇烈形變,使得裂紋周圍的滑移帶幾乎都轉(zhuǎn)移到另一側(cè),從而延緩了裂紋的擴(kuò)展;而在?5晶界模型中,裂紋的尖端以及界面處出現(xiàn)了大量的滑移帶,使得整個(gè)系統(tǒng)有更好的塑性,有效的阻礙了裂紋的擴(kuò)展。相對(duì)于單晶金屬,合金中疲勞裂紋擴(kuò)展行為又有所不同。通過(guò)對(duì)Ni3Al合金中疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究,發(fā)現(xiàn)(010)[001]裂紋在常溫下以三角形的尖端萌發(fā),然后尖端以空洞形核的方式擴(kuò)展,此時(shí)裂紋周圍形成了大量的位錯(cuò)和滑移,滑移系為{110}111;[110](110)裂紋前端出現(xiàn)了具有鈍化現(xiàn)象的尖端裂紋,滑移系為(110)[110];而(111)[112]裂紋以鈍化延展的方式擴(kuò)展,使得裂紋擴(kuò)展的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種裂紋模型,并且在[132]和[312]晶向,沿著{111}晶面形成了大量的滑移帶。當(dāng)溫度從300K升到600K時(shí),Ni3Al中裂紋的擴(kuò)展速率隨著溫度的升高而增加。與常溫下的裂紋擴(kuò)展相比,高溫沒(méi)有改變裂紋前端的滑移系統(tǒng),卻使滑移帶的數(shù)量增多。另外,研究了Ni/Ni3Al界面在常溫下對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鈍化原子誘導(dǎo)裂紋尖端發(fā)生形變,從而導(dǎo)致新的尖端裂紋在裂紋的前端形成,同時(shí)新的尖端裂紋又引起的鈍化效應(yīng)的形成,并引導(dǎo)著裂紋擴(kuò)展。此時(shí),Ni/Ni3Al界面把裂紋尖端產(chǎn)生的滑移帶逐漸的轉(zhuǎn)移到Ni3Al的合金相中,從而有效地限制了裂紋的擴(kuò)展。裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中除了受到晶向、溫度、界面的影響外,還受到材料內(nèi)部缺陷的影響,因此又探索了輻照缺陷對(duì)金屬力學(xué)性能及疲勞裂紋擴(kuò)展的影響(以單晶鎳為例)。當(dāng)溫度為100K和300K時(shí),金屬的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變相對(duì)于輻照前降低,然而,彈性模量在輻照前后卻是升高的。同時(shí),100K時(shí)的輻照缺陷可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)從而限制滑移帶的擴(kuò)展并導(dǎo)致滑移帶密度的降低。當(dāng)溫度為300K時(shí),缺陷原子會(huì)引誘大量的空位出現(xiàn)在裂紋的周圍,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)硬化,限制了滑移帶的增長(zhǎng)。通過(guò)研究輻照缺陷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響可以得出,在低溫100K時(shí)輻照缺陷阻礙裂紋尖端鈍化效應(yīng)和滑移帶的形成,從而降低了裂紋的擴(kuò)展速率。然而,當(dāng)溫度為300K時(shí),裂紋的尖端對(duì)輻照缺陷具有吸引的效果,從而加速了滑移帶的增長(zhǎng),同時(shí)還會(huì)引起裂紋周圍大量新缺陷的形成。
[Abstract]:The fatigue fracture behaviour of iron , nickel and nickel - based alloys was investigated by means of molecular dynamics ( MD ) and modified analytical embedded atomic method ( MAEAM ) . In the model of grain boundary , the propagation rate of crack tip is increased with increasing temperature . The effects of irradiation defects on mechanical properties and fatigue crack growth of Ni / Ni3Al interface have been investigated .

【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG111.8

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