单晶γ-TiAl合金裂纹扩展机理的分子动力学研究

摘要

γ-TiAl合金因具有低的密度，较高的弹性模量和高温强度等优点，在航天航空等领域得到了广泛的应用。但按照常规的处理工艺制成的TiAl合金材料，在开始服役的时候就存在不同类型的缺陷，加之制成零部件的受力和工作环境状况复杂，导致其裂纹扩展的模型远比传统金属材料的要复杂。
　　本研究主要内容包括：⑴温度对裂纹扩展的影响。不同温度下裂纹的扩展形式和扩展速率都不同，但是最终都出现了裂尖发射位错的现象；不同温度下裂尖发射位错的频率不同，温度越高，裂尖发射位错的频率越高，裂尖钝化程度越严重；随温度的升高，体系的屈服应力下降，裂纹的向前扩展越缓慢，也就是高温下材料越容易发生塑性变形，塑性变形的发生阻碍了裂纹向前的扩展；⑵应变率对裂纹扩展的影响。晶体结构对应变率很敏感，不同的应变率范围下裂纹的扩展形式差异很大。在不敏感区，最大应力随应变率的变化很小，这表明应变率对裂纹扩展过程影响不大；在敏感区，体系最大应力随着应变率的增大逐渐增大；在突变区，高的应变率迫使裂尖前端局部非晶化，并且应变率越高，非晶化区域越大，最终在原子结构混乱处萌生微裂纹；在应变率不敏感区和敏感区，应力值达到最大时裂纹开始扩展，在突变区，裂纹并不是在应力达到最大时开始扩展，这可能是应变强化导致的；⑶晶向对裂纹扩展的影响。[100]晶向的裂纹强度最低，最容易扩展，裂纹扩展方式为脆性解理；[111]晶向的裂纹强度最大，最难扩展，并且在启裂时裂尖沿着裂纹容易扩展的方向发生了转向，裂纹扩展表现出明显的取向效应；裂纹通过裂尖发射滑移位错以及裂尖上形成的孪晶进行扩展；[110]晶向的裂纹强度介于其它两个晶向之间，扩展起初为解理扩展，扩展到一定时间裂尖发射位错使得裂尖钝化，随着加载的继续，钝化裂尖的一端萌生了与主裂纹不在一个平面上的子裂纹，最后主子裂纹相连形成了呈台阶状扩展的裂纹，表现出了一定的取向效应。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 γ-TiAl合金

1.3 TiAl合金中裂纹扩展行为的研究现状

1.4 基于分子动力学对裂纹扩展的研究现状

1.5 本文的研究内容和研究意义

第2章 分子动力学简介

2.1 分子动力学概述

2.2 分子动力学模拟步骤

2.3 分子动力学基本方程

2.4 基于分子动力学模拟裂纹扩展的相关设置

2.5 常用分子动力学模拟软件简介

2.6本章小结

第3章 温度对单晶γ-TiAl合金中裂纹扩展的影响

3.1 引言

3.2 计算模型和模拟方法

3.3 模拟结果及讨论

3.4 结论

第4章 应变率对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响

4.1引言

4.2 计算模型和模拟方法

4.3 模拟结果及讨论

4.4 结论

第5章 晶向对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响

5.1 引言

5.2 计算模型和模拟方法

5.3 模拟结果及讨论

5.4 本章小结

总结与展望

本文总结

后期展望

参考文献

致谢

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