【摘要】：鈦鋁合金是近年來迅速發(fā)展,并得到大量運用的合金材料,由于其具有低密度、高強度、耐高溫等優(yōu)勢,在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注,是新一代理想的輕質(zhì)耐高溫合金材料。但是鈦鋁合金也存在室溫脆性及高的裂紋擴展率等缺點,這些缺陷容易造成材料在使用過程中的斷裂失效,而裂紋的失穩(wěn)擴展是導(dǎo)致材料失效的主要原因,因此需要對裂紋的擴展過程和斷裂的機理進行深入詳細(xì)的研究。本文以多晶γ-Ti Al合金為研究對象,借助開源命令程序Atomsk,采用Voronoi算法建立多晶體模型,構(gòu)建晶體塑性本構(gòu)關(guān)系,對γ-Ti Al合金多晶體進行了單軸拉伸的分子動力學(xué)模擬,對比研究了五種不同溫度下多晶γ-Ti Al合金晶界上微裂紋和晶粒內(nèi)微裂紋的擴展過程。研究結(jié)果表明:多晶γ-Ti Al合金晶界上的微裂紋在低溫和常溫狀態(tài)下,表現(xiàn)為脆性解理擴展。裂紋先沿晶擴展至晶界或應(yīng)力集中處,在裂尖附近的晶界處,產(chǎn)生微孔洞,孔洞長大沿晶擴展形成子裂紋,子裂紋與主裂紋的匯合導(dǎo)致材料斷裂失效;在中高溫下,晶界上微裂紋以脆性蠕變斷裂為主,裂紋先沿著晶界擴展,受到阻力擴展變緩慢,裂尖出現(xiàn)鈍化,裂紋逐漸形成蠕變空洞并不斷長大,進而在三叉晶界處形成楔形裂紋,由此導(dǎo)致沿晶斷裂,材料失效。多晶γ-Ti Al合金晶粒內(nèi)的微裂紋在低溫和常溫狀態(tài)下,同樣為脆性解理擴展,裂紋以沿晶斷裂為主,斷口為晶粒狀,斷裂方式亦為微空洞長大形成子裂紋,沿晶擴展并于主裂紋匯合導(dǎo)致材料斷裂;而中高溫狀態(tài),由于應(yīng)力和持續(xù)高溫作用,合金產(chǎn)生緩慢的塑性變形,裂紋逐漸長大,蠕變?yōu)榭斩?空洞沿晶擴展并最終破裂導(dǎo)致材料斷裂失效。高溫時合金斷裂面為脆性的沿晶斷口。不同位置的微裂紋在擴展過程有很多相似處,低溫和常溫下主要表現(xiàn)為脆性解理斷裂,擴展速率較快;中高溫狀態(tài)下主要為脆性蠕變斷裂,擴展速率緩慢,高溫狀態(tài)下合金也表現(xiàn)出一定的韌性。但在裂紋擴展初期,晶界上的裂紋為沿晶擴展,晶粒上的裂紋為穿晶擴展;晶界上應(yīng)力最大值低于晶粒內(nèi)應(yīng)力最大值;晶界上裂紋在同一溫度下的彈性模量和能量最大值上也較低,表明多晶體晶界在裂紋的擴展中起著重要的作用,晶界對裂紋的擴展及位錯運動都具有強烈的阻礙作用。另外,在裂紋擴展的各個階段都有大量的空位、層錯、位錯等現(xiàn)象發(fā)生。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.23
【圖文】：

其他合金元素，例如加入 Nb 元素可以提高其斷裂韌性、加入 W剛度[10]。該合金的綜合性能的提升依賴加入元素的比例、形態(tài)以與制造的工藝有關(guān)。γ-TiAl 是 L10有序超點陣結(jié)構(gòu)，面心四方結(jié)分變化而變化，a=0.3957-0.4015nm，c=0.4062-0.4097nm，c/a 型化合物。δ-TiAl3也具有 D019超點陣結(jié)構(gòu)，其晶胞常數(shù) a=，c/a≈2.23，δ-TiAl3也屬于 Kurnakov 型化合物。種穩(wěn)定化合物中，α2-Ti3Al 合金是較成熟的 TiAl 合金，其室溫強，但其使用溫度低于γ-TiAl，抗氧化能力較差，由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)被廣泛應(yīng)用；γ-TiAl 相比 Ti3Al 具有較高的彈性模量、抗蠕變能存在室溫脆性及高的裂紋擴展速率；δ-TiAl3合金的密度最低，抗點低，限制了其在高溫條件下的應(yīng)用，又因為固溶范圍太窄，導(dǎo)加工比較困難，因此也沒有被廣泛應(yīng)用。工程實際應(yīng)用中的 TiAl 合金主要是由大量的γ-TiAl 和少量的α2-]。這兩種 TiAl 合金的晶體結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。

單晶體 多晶體圖 1.2 單晶體與多晶體結(jié)構(gòu)對比圖運用分子動力學(xué)對多晶體也有研究，Krivtsov 等[34]運用分子動力學(xué)模擬體的材料力學(xué)性能，提出了一種基于分子動力學(xué)方法的多晶材料構(gòu)建技材料進行了單軸壓縮試驗，并比較了單晶體和多晶試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用分子動力學(xué)方法對人工構(gòu)造多晶硅的納米切削進行了三維仿真，對多機理做了深入研究。劉飛等[36]采用 Voronoi 方法建立了多晶銅切削模型學(xué)方法對多晶銅的納米切削過程進行了動力學(xué)仿真，對切削和切削力會阻止位錯向晶粒內(nèi)部運動。iAl 合金多晶體方面，Zhou 等[37]研究了多晶鈦鋁合金塑性變形后的表面，三維表面粗糙度參數(shù)和應(yīng)變之間的關(guān)系是線性的，并且也觀察到的表力應(yīng)變之間的線性關(guān)系。謝鑫強等[38]采用 Voronoi 算法建立了γ-TiAl 多模型進行單向拉伸模擬，分析其中的位錯、滑移及孿生的現(xiàn)象。結(jié)果表同晶粒取向的滑移系與孿生系的啟動存在差異。奉新峰等[39]采用分子動

-231.38 10 /Bk J k。零，令 NioldioldinewivNvv11缺陷及相互作用力的原因，系統(tǒng)中原子的初要有一個平衡過程，也即弛豫過程。原子經(jīng)，相互作用的情況達到較為真實的理想狀態(tài)作用下進行[42 ]。模擬中，主要包括兩種邊界條件：周期性邊界條件的使用大多是為了研究原胞表面效應(yīng)性邊界條件。由于本文模擬時不需要考慮表

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2804407