晶内纳米孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形影响的MD模拟

摘要

γ-TiAl基合金密度小，熔点高，具有优异的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能，是一种很有潜力的广泛应用于航空航天等领域的高温结构材料；但是其室温脆性以及低断裂韧性一直未能得到有效的改善。在γ-TiAl基合金的生产和使用过程中，因冷热加工过程、温度和载荷的改变及其它因素的作用，合金内部的薄弱地方容易产生微孔洞。微孔洞的长大与聚合是造成合金失效的主要原因之一。因而，研究纳米孔洞对γ-TiAl基合金力学性能的影响十分必要，有利于深入探讨γ-TiAl基合金室温脆性及低断裂韧性的改善途径。对于纳米材料，实验往往无法明确的观测其微观组织演化过程；以分子动力学(MD)方法为代表的原子模拟，通过求解牛顿运动方程得到各个粒子的运动状态，能够实现材料微观组织的动态跟踪，是一种行之有效的计算机辅助的材料研究手段。
　　本文采用 MD方法研究单孔洞、双孔洞以及孔洞位置和数量不同时，晶内纳米孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形的影响。通过γ-TiAl多晶低温拉伸变形中的微观组织演化分析，从原子尺度揭示含晶内纳米孔洞γ-TiAl多晶的塑性变形和断裂机制。主要研究内容如下：
　　(1)含晶内孔洞γ-TiAl多晶的塑性变形方式均为位错在晶界处的形核，并且在三岔晶界处最先有位错形核。随孔洞半径(R)的增大和孔洞数量的增加，位错发射越来越领先，表明孔洞的存在有利于位错的形核。
　　(2)含单孔洞γ-TiAl多晶的拉伸变形模拟中，在完整晶胞的中心位置(晶粒1内)和边界位置(晶粒2内)分别构建不同尺寸的球形孔洞。孔洞位置对γ-TiAl多晶的塑性及断裂行为有着显著的影响。晶粒1内含单孔洞的γ-TiAl多晶，R较小时，多晶体系的应力峰值比完整多晶低，但断裂韧性得到提高，产生一定的增塑作用，且当R=0.2nm时塑性最好；R＜1nm时，断裂机制为沿晶断裂；当R≥1nm时，断裂机制为孔洞的长大、破裂。晶粒2内含单孔洞的γ-TiAl多晶，随着R的增大，多晶晶胞的应力峰值逐渐增高，应力峰值所对应的应变依次增大，也说明其塑性得到改善。R＜1.5nm时，多晶表现为沿晶断裂；R增加到1.5nm时，表现为孔洞的长大、破裂。
　　(3)在含单孔洞多晶晶胞的基础上，构建同一晶粒内含双孔洞的多晶以及不同晶粒内含单孔洞的多孔晶胞，并对其进行拉伸变形模拟。多个纳米孔洞存在时，多晶拉伸变形中的应力峰值进一步降低，并且应力峰值对应的应变量较大，表明γ-TiAl基合金中弥散分布的纳米孔洞有利于改善其塑性和断裂韧性。

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第1章 绪论

1.1 金属材料的塑性变形及断裂行为

1.2 孔洞对材料力学性能影响的研究进展

1.3 材料力学行为的多尺度模拟

1.4 分子动力学在材料科学中的应用

1.5 TiAl基合金的特点与力学性能

1.6 本文研究的主要内容

第2章 研究方法概述

2.1 引言

2.2 分子动力学基本原理

2.3 采用的单位制

2.4 结构分析方法

2.5 MD模拟软件与可视化软件简介

第3章 单孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形影响的MD模拟

3.1 模型的构建及模拟过程

3.2 应变速率对γ-TiAl多晶拉伸应力-应变的影响

3.3晶粒1内单孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形的影响

3.4晶粒2内单孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形的影响

3.5 讨论

3.6本章小结

第4章 多孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形影响的MD模拟

4.1 模拟晶胞构建及模拟过程

4.2 晶粒1内双孔洞对γ-TiAl多晶的拉伸变形的影响

4.3 不同晶粒内双孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形的影响

4.4 孔洞数量对γ-TiAl多晶的拉伸变形的影响

4.5 讨论

4.6本章小结

第5章 结论与展望

5.1 全文主要结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录(参与项目与科研成果)