金屬材料宏觀力學(xué)性能與其成分組織和微觀結(jié)構(gòu)等因素緊密相關(guān),材料的失效破壞行為主要源于位錯、層錯、晶界以及孿晶界等微觀缺陷。本文首先在原子尺度上采用分子動力學(xué)方法研究了微觀結(jié)構(gòu)和溫度對TiAl合金力學(xué)性能及其塑性變形機制的影響。準確的原子間相互作用勢是保證分子動力學(xué)模擬結(jié)果合理可靠的重要前提。為更深入研究材料力學(xué)行為,本文以金紅石相TiO₂材料為例,在電子尺度上開展了勢函數(shù)構(gòu)建的探索性研究,基于第一性原理計算值和實驗值構(gòu)建了該材料的原子間相互作用勢,基于現(xiàn)有文獻研究結(jié)果,對所構(gòu)建勢函數(shù)的正確性進行了相應(yīng)的驗證。以LAMMPS軟件為模擬平臺,采用分子動力學(xué)方法研究了單軸拉伸載荷作用下晶粒尺寸和溫度對TiAl合金力學(xué)性能及變形機制的影響。研究結(jié)果表明:晶粒尺寸<8 nm時,隨著晶粒尺寸的增大,納米多晶TiAl合金的屈服應(yīng)力增大,出現(xiàn)反Hall-Petch現(xiàn)象,此時主導(dǎo)TiAl合金塑性變形的是晶界遷移和晶粒旋轉(zhuǎn);當晶粒尺寸>8nm時,屈服應(yīng)力對晶粒尺寸的敏感性降低,此時塑性變形的主導(dǎo)機制為晶粒內(nèi)部位錯滑移和變形孿晶生長。隨著晶粒尺寸的增加,楊氏模量增大;但隨著... 

【文章來源】：重慶理工大學(xué)重慶市

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

周期性邊界條件示意圖

重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文10圖2.2球形的固定邊界條件示意圖2.1.4溫度調(diào)節(jié)方法溫度對體系的原子運動有著很大的影響，在不同系綜下都需要根據(jù)實際情況對溫度進行調(diào)節(jié)，讓溫度保持不變或者按照特定規(guī)律變化。在分子動力學(xué)模擬中經(jīng)常用到的控溫方法有：速度標定法、Berendsen熱浴法、Gaussian熱浴法和Nose-Hoover熱浴法等。1）速度標定法速度標定法[49]通過引入速度標度因子λ，可以使初始溫度為T的體系達到期望的研究溫度T0：20T=λT（2.6）20TT=(λ1)T（2.7）0TTλ=（2.8）由上式可知，速度標度因子λ乘以某一時刻原子的速度便可控制體系的溫度。當體系的溫度大于預(yù)期溫度時，λ＜1；反之，λ＞1。這種方法設(shè)計簡單、結(jié)果清晰、計算速度快，應(yīng)用十分廣泛。2）Berendsen熱浴法Berendsen熱浴法[50]由Berendsen等人在1987年提出，給定溫度為T0的恒溫?zé)嵩。瑢⑺芯矿w系（體系溫度T）放入此熱浴中，通過對速度的控制使其進行溫度交換，保持二者溫度基本一致。201()TTTTtλτ=（2.9）

重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文243.2多晶模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定TiAl合金的晶體結(jié)構(gòu)為L10型面心四方（FCT）[23]。本文采用Voronoi構(gòu)造方法[89]建立TiAl多晶的三維模型200（x）×200（y）×200（z），每個三維模型均包含無缺陷且無紋理的隨機取向晶粒，模型中原子總數(shù)為448305個。以晶粒尺寸為4nm的模型為例，用可視化軟件OVITO[90]觀察建立的初始模型如圖3.1所示。為了研究尺寸效應(yīng)，通過調(diào)整位置和取向隨機分布的晶粒個數(shù)建立平均晶粒尺寸分別為2nm、4nm、8nm、12nm、16nm的5個模型。為了研究溫度對塑性變形機制和力學(xué)性能的影響，分別在0K，300K，600K溫度下進行單軸拉伸模擬，并對通過公共近鄰列表分析技術(shù)（CNA）[91]表征多晶TiAl合金的塑性變形過程。本文的研究對象屬于Ti-Al二元體系，因此選擇在研究TiAl金屬間化合物相關(guān)計算中較常用的Zope等人[92]開發(fā)出的EAM嵌入原子勢，該勢函數(shù)已廣泛應(yīng)用于TiAl合金的拉伸變形。在三個方向上均采用周期性邊界條件以更好的模擬三維柱狀樣本。在加載之前先讓模型在NPT系綜下進行馳豫，馳豫時間為6fs，使體系達到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。時間步長為1fs。隨后對體系進行加載，在y和z方向上保持恒溫和零壓，在x方向上以應(yīng)變率的方式拉伸加載，應(yīng)變率為4×108s-1。在拉伸模擬過程中，同樣使用NPT系綜，并且保證yz方向上的壓力始終為0以滿足單軸拉伸的條件。模擬過程中每隔500步記錄動能、勢能、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)參數(shù)，用于后續(xù)分析TiAl合金的力學(xué)性能。拉伸變形過程中的溫度調(diào)節(jié)選用Nose-Hoover熱浴法[93-94]，壓力控制為Anderson控壓法[95]。最后，用可視化軟件OVITO對模擬過程的圖像和動畫進行處理。圖3.1平均晶粒尺寸為4nm的TiAl多晶初始模型：（a）晶粒識別；（b）公共近鄰分析

【參考文獻】：
期刊論文
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