镍基合金中五重孪晶形成及变形机理的分子动力学研究

摘要

五重孪晶基于其特殊的晶体对称结构，拥有十分优异的特性。它们不仅能够提高材料的硬度、强度等力学性能，还能够改善材料的电学、光学、催化等物理和化学性能，因而受到世界各国的广泛关注。然而，目前五重孪晶的相关报道主要集中于Cu、Ag等面心立方金属单质，或是五重孪晶结构的力学行为研究。关于合金中形成五重孪晶的研究较少，更几乎未有涉及合金五重孪晶化表面的研究。因此，为更好地将五重孪晶结构应用到工程合金中，本文采用分子动力学（MD）模拟对镍基合金C-2000进行了研究，对合金中五重孪晶的形成机理、规律以及变形机理进行了分析，并进行了相应的纳米压痕实验探究镍基合金结构及性能的变化。 首先对镍基合金C-2000模型进行了纳米压痕仿真，探究了五重孪晶的形成机理及规律。研究表明，五重孪晶形成于四个不同{111}滑移面的交叉中心处。在压痕过程中，交叉中心处发生能量积聚与应力集中，非共格孪晶界形成于交叉中心附近。交叉中心处白色高能原子在剪切应力的作用下发射不全位错，层错沿着{111}面形成。白色原子继续发射不全位错，孪晶得以形核、生长，五重孪晶最终形成。特别的，五重孪晶化表面的形成还与压痕过程中合金表面能量的增加密切相关。另外，五重孪晶的形成是合理模拟条件综合作用的结果，在相应范围内调整压入速度、压头半径、压入晶向等参数会影响到五重孪晶形成的形态大小、位置和数量。这些研究为实验上制备五重孪晶结构提供了指导。 然后对镍基合金C-2000单晶和五重孪晶纳米线模型进行拉伸仿真，分析了五重孪晶的变形机理。结果显示，与单晶纳米线相比，五重孪晶纳米线的拉伸杨氏模量和屈服强度均有所提高。在弹性变形阶段，五重孪晶界抑制了不全位错的形核。在五重孪晶纳米线的塑性变形阶段，二次五重孪晶结构的形成使得纳米线的拉伸应力上升，这是因为形成的五重孪晶界阻碍了不全位错的滑移，起到了抵抗塑性变形的作用。另外，在五重孪晶纳米线拉伸过程中，不全位错在纳米线内部发生堆积，导致应力集中，五重孪晶纳米线更快被拉断。 最后对镍基合金C-2000进行了纳米压痕实验。实验前先对合金样片进行化学机械抛光（CMP），改善表面质量。采用不同最大压入载荷对合金样片进行纳米压痕，当最大压入载荷为1N时，合金表面硬度提升较大。使用透射电镜对经过100次循环加载后的纳米压痕边缘进行观测，发现了纳米孪晶结构。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 课题来源与研究背景及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景及意义

1.2 镍基合金C-2000

1.3 五重孪晶的研究现状

1.3.1 纳米晶体中五重孪晶的形成研究

1.3.2 五重孪晶对材料性能影响的研究

1.4 论文主要研究内容

2 分子动力学模拟及主要技术

2.1 分子动力学模拟计算原理

2.1.1 有限差分算法

2.1.2 势函数

2.1.3 系综

2.1.4 边界条件

2.2 模拟应用软件与分析方法

2.2.1 模拟应用软件

2.2.2 仿真结果分析方法

2.3 建模与模型弛豫

2.4 本章小结

3.1 纳米压痕仿真

3.2 镍基合金内部五重孪晶的形成机理研究

3.2.1 建模与模拟条件

3.2.2 五重孪晶的形成机理研究

3.3 镍基合金表面五重孪晶的形成机理研究

3.3.1 建模与模拟条件

3.3.2 五重孪晶化表面形成机理研究

3.4 镍基合金中五重孪晶形成规律的研究

3.4.1 模拟参数对五重孪晶形态大小的影响

3.4.2 模拟参数对五重孪晶形成位置的影响

3.4.3 模拟参数对五重孪晶形成数量的影响

3.5 本章小结

4 镍基合金C-2000五重孪晶变形机理研究

4.1 镍基合金C-2000拉伸建模与模拟条件

4.1.1 建模

4.1.2 模拟条件

4.2 五重孪晶结构变形机理分析

4.2.1 纳米线拉伸过程的应力-应变曲线分析

4.2.2 纳米线拉伸过程中五重孪晶结构的变形机理分析

4.3 本章小结

5 镍基合金C-2000的纳米压痕实验

5.1 纳米压痕实验原理

5.2 纳米压痕实验条件及方法

5.2.1 实验仪器

5.2.2 样本预处理

5.2.3 纳米压痕实验方案

5.3 压痕结果观测与分析

5.4 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书