本文關(guān)鍵詞：γ-TiAl多晶拉伸變形中晶界與含孔洞晶界力學(xué)行為的MD研究

  更多相關(guān)文章： γ-TiAl多晶 晶界滑動 晶粒轉(zhuǎn)動 位錯 晶界孔洞 裂紋

【摘要】：金屬材料中普遍存在著晶體缺陷,這些缺陷導(dǎo)致材料在實際應(yīng)用過程中的強度和剛度都明顯低于理論預(yù)期。對于多晶金屬材料來說,晶界的存在以及各晶粒之間位向的多樣化,使得材料在外力作用下發(fā)生的塑性變形和斷裂行為以晶界力學(xué)行為為主導(dǎo),如晶界滑動、晶界發(fā)射位錯、晶界阻礙位錯滑移、沿晶界斷裂等等。同時,孔洞是引起材料發(fā)生破壞的重要根源之一,孔洞的長大與聚合會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能急劇下降,而至今學(xué)術(shù)界對γ-TiAl多晶拉伸變形原子尺度下的微觀機制關(guān)注較少。因此本文基于Voronoi算法構(gòu)建γ-TiAl多晶晶胞,采用分子動力學(xué)(MD)方法模擬γ-TiAl多晶拉伸變形,探究晶界和晶界孔洞對γ-TiAl多晶拉伸變形微觀機制的影響,在原子尺度下分析γ-TiAl多晶拉伸變形中的晶界力學(xué)行為。采用MD方法模擬不同平均晶粒尺寸和應(yīng)變率時γ-TiAl多晶的單向拉伸變形,結(jié)果表明:隨著拉伸應(yīng)變率的增大,應(yīng)力峰值增大;而隨著晶粒尺寸減小,應(yīng)力峰值減小,呈現(xiàn)出明顯的反Hall-Petch規(guī)律。通過觀察原子構(gòu)型演變可知,拉伸變形中部分晶界嚴(yán)重扭曲,表明晶界滑動是其主要的變形機制;同時,位錯只從三岔晶界發(fā)射并向晶粒內(nèi)部滑移,起協(xié)調(diào)變形的作用。各晶粒晶界與晶內(nèi)切應(yīng)力的不均勻分布,使得部分晶粒在拉伸中發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)動,模擬晶胞邊界處的晶粒轉(zhuǎn)動角度較中間晶粒的大。位錯在晶界滑動與晶粒轉(zhuǎn)動之后形核,可知拉伸變形初期的晶界滑動和晶粒轉(zhuǎn)動為位錯形核提供了位向和切應(yīng)力條件。在上述完整γ-TiAl多晶晶胞中的幾個特定晶界位置(二維、三維晶界等)構(gòu)建球形孔洞,其半徑分別為0.5nm、0.8nm和1nm。對此含晶界孔洞的γ-TiAl多晶晶胞的拉伸變形進行MD模擬,結(jié)果表明:晶界孔洞使晶胞應(yīng)力峰值降低,且應(yīng)力峰值變化受孔洞位置與孔洞大小的影響。含晶界孔洞γ-TiAl多晶的拉伸塑性變形也是位錯協(xié)調(diào)的晶界滑動,同樣伴隨著晶粒轉(zhuǎn)動,孔洞位置和孔洞大小對初始位錯形核位置有一定的影響。拉伸變形中含晶界孔洞的晶胞裂紋形核位置和完整晶胞相似,均在位向與拉伸方向幾乎垂直的晶界局部應(yīng)力集中處形核,而孔洞位于該晶界附近時晶胞的裂紋形核較早,裂紋擴展速度也較快。位于與拉伸方向成一定夾角的晶界上的孔洞,在晶界滑動和相鄰晶粒的相對轉(zhuǎn)動所引起的不均勻切應(yīng)力作用下,孔洞發(fā)生扭曲,并逐漸收縮變小;當(dāng)孔徑較小時,孔洞最終愈合,孔徑較大時,晶界孔洞會與不斷擴展的裂紋合并。
【關(guān)鍵詞】：γ-TiAl多晶 晶界滑動 晶粒轉(zhuǎn)動 位錯 晶界孔洞 裂紋
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.23
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 選題的背景和意義9-10
• 1.2 γ-TiAl合金晶體結(jié)構(gòu)10
• 1.3 晶體缺陷10-13
• 1.3.1 晶界11-12
• 1.3.2 位錯12-13
• 1.4 金屬材料的塑性變形及斷裂行為13-14
• 1.4.1 金屬材料的塑性變形13-14
• 1.4.2 金屬材料的斷裂行為14
• 1.5 晶界力學(xué)行為的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.6 孔洞影響材料力學(xué)性能的研究概況15-16
• 1.7 多尺度模擬方法16-18
• 1.8 本文研究目的及主要內(nèi)容18-19
• 第2章 分子動力學(xué)模擬技術(shù)19-29
• 2.1 分子動力學(xué)模擬的基本原理19-20
• 2.2 有限差分算法20-22
• 2.2.1 Verlet算法21
• 2.2.2 Leap-Frog算法21-22
• 2.3 原子間的相互作用勢22-24
• 2.3.1 對勢22-23
• 2.3.2 多體勢23-24
• 2.4 邊界條件24-26
• 2.5 系綜26
• 2.6 溫度和壓力的控制26-27
• 2.6.1 溫度控制方法26-27
• 2.6.2 壓力控制方法27
• 2.7 分子動力學(xué)模擬軟件介紹27-28
• 2.8 多晶晶胞構(gòu)建方法—Voronoi算法28-29
• 第3章 γ-TiAl多晶拉伸變形中晶界力學(xué)行為的MD模擬29-40
• 3.1 γ-TiAl多晶模型的構(gòu)建與拉伸模擬過程29-31
• 3.1.1 γ-TiAl多晶模型的構(gòu)建29-30
• 3.1.2 拉伸模擬過程30-31
• 3.2 模擬結(jié)果與討論31-39
• 3.2.1 拉伸變形中的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線31-33
• 3.2.2 晶界滑動和晶粒轉(zhuǎn)動33-35
• 3.2.3 位錯與晶界的相互作用35-37
• 3.2.4 討論37-39
• 3.3 本章小結(jié)39-40
• 第4章 晶界孔洞影響 γ-TiAl多晶拉伸變形的MD模擬40-69
• 4.1 模擬晶胞構(gòu)建及拉伸模擬過程40-42
• 4.2 晶界孔洞的位置對 γ-TiAl多晶拉伸力學(xué)性能的影響42-43
• 4.3 晶界孔洞的尺寸對 γ-TiAl多晶拉伸力學(xué)性能的影響43-45
• 4.4 晶界孔洞對 γ-TiAl多晶拉伸塑性變形的影響45-52
• 4.4.1 晶界滑動和晶粒轉(zhuǎn)動45-47
• 4.4.2 位錯形核與滑移47-52
• 4.5 含晶界孔洞的 γ-Ti Al多晶拉伸變形中的斷裂行為52-67
• 4.5.1 完整 γ-TiAl多晶拉伸變形中的斷裂行為52-53
• 4.5.2 含 0.5nm晶界孔洞的 γ-TiAl多晶拉伸變形中的斷裂行為53-58
• 4.5.3 含 0.8nm晶界孔洞的 γ-TiAl多晶拉伸變形中的斷裂行為58-61
• 4.5.4 含 1nm晶界孔洞的 γ-TiAl多晶拉伸變形中的斷裂行為61-65
• 4.5.5 晶界孔洞與晶粒內(nèi)部孔洞的原子構(gòu)型演化對比65-67
• 4.6 討論67-68
• 4.7 本章小結(jié)68-69
• 第5章 結(jié)論與展望69-71
• 5.1 結(jié)論69-70
• 5.2 展望70-71
• 參考文獻71-75
• 致謝75-76
• 附錄 科研成果及參與項目情況76

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