Nb替位方式及浓度对γ-TiAl合金微裂纹扩展的影响研究

摘要

TiAl 合金室温塑性差、850℃以上抗氧化性不足和裂纹扩展速率高的缺点严重制约了其在航空航天领域的应用，而加入Nb有助于解决这一难题。Ti-Al-Nb三元体系已成为TiAl合金的主要发展趋势，合金化元素Nb对TiAl合金性能的影响研究已成为目前材料工程领域广泛关注和研究的焦点。本文采用分子动力学方法从微观尺度模拟了单轴拉伸加载下Nb替位方式及原子比浓度对TiAl合金裂纹扩展过程的影响，研究结果如下： (1) 研究了Nb的不同替位方式对γ-TiAl合金裂纹扩展的影响。通过对预制了边界裂纹的无Nb体系、Nb替位Al体系、Nb替位Ti体系模型进行单轴拉伸加载，分析不同体系的模型在模拟过程中的裂纹扩展及位错演变过程，绘制应力-应变、能量、原子结构数目、径向分布函数变化曲线。表明：无论何种替位方式，Nb 与近邻基体原子之间的相互作用都要强于替位前Ti-Al原子间的相互作用，会增强掺杂的Nb原子与TiAl合金中基体原子间的成键和结合强度，提高晶胞的键强度，增强周围原子间的键合力和内聚力，使裂尖区原子结合紧密，进而使裂纹尖端钝化，裂纹扩展速率减慢，裂纹扩展路径改变，合金的抗拉强度和断裂韧性增强。替位Ti体系比替位Al体系具有更高的屈服强度，替位Al体系比替位Ti体系发生的晶格畸变程度严重，位错密度较大，具有更高的断裂韧性。 (2) 研究了替位Ti体系中不同Nb原子比浓度对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响。表明：Nb 原子比浓度增大，塑性阶段应力减小缓慢，点阵畸变积累效应和原子间内聚力增强，导致Nb周围应力场增加，波峰应力值增加，裂纹扩展速率减小。在0%~6%原子比浓度范围内，Nb浓度的提高有助于增强γ-TiAl合金的屈服强度和延展性。 (3) 裂纹的扩展过程可分为弹性阶段和塑性阶段。弹性阶段主要是在无位错区中原子键的断裂，塑性阶段主要是在裂纹尖端附近位错的形核、发射和位错的运动而引起的原子切变行为；在γ-TiAl合金中，1/6<112>Shockley不全位错密度最大，位错密度随着应力的增大而增加。位错的演变与畸变的hcp结构和bcc结构变化趋势有关。位错密度峰值区域多集中在应力峰值区域，位错密度随应力的增大而增加，在应力高度集中时裂尖可以通过发射位错的形式来释放一部分集中的应力。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2γ-TiAl合金的研究现状

1.3 合金化对TiAl合金性能的影响研究

1.4 分子动力学模拟对γ-TiAl合金的研究

1.5 本文研究内容及意义

第2章 分子动力学简介

2.1 分子动力学方法的基本原理

2.2 分子动力学模拟的步骤

2.3 边界条件

2.4原子间势函数

2.5 积分算法和积分步长

2.6 模拟系综

2.7 温度控制方法

2.8 常用分子动力学模拟软件

2.9 本章小结

第3章 Nb替位方式对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响

3.1 引言

3.2 模型的建立及模拟方法的选择

3.3微观结构演化过程

3.4曲线分析

3.5本章小结

第4章 替位Ti体系中Nb原子比浓度对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响

4.1引言

4.2 模型的建立及模拟方法的选择

4.3 微观结构演化过程

4.4 曲线分析

4.5本章小结

第5章 总结与展望

本文总结

后期展望

参考文献

致谢