三元合金的纳米压痕分子动力学模拟及实验研究

摘要

纳米孪晶结构作为一种特殊的晶体结构缺陷，表现出优异的力学、摩擦学和热学性质。目前关于纳米孪晶的研究主要集中在单质铜、镁、铝等金属，对工程上使用较多的合金金属纳米孪晶研究较少。实验上主要采用动态塑性变形法、脉冲电沉积法等制备纳米孪晶，动态塑性变形法需要超低温的环境，而脉冲电沉积法需要采用有毒的化学试剂。除了实验研究外，在理论研究方面，目前国内外主要是采用分子动力学模拟的方法来研究纳米孪晶的形成机理，模拟仍然以单质金属为主。此外，关于纳米孪晶的研究主要是通过直接建立纳米孪晶模型，而对于单晶模型中纳米孪晶的形成机理很少有报道。针对这些问题，本文采用纳米压痕的方法制备纳米孪晶结构表面，通过建立单晶三元镍基合金和三元钛合金的分子动力学模型，研究了单晶三元合金纳米压痕模拟过程中应力诱导的变形行为和纳米孪晶的形成机理，主要工作如下：
　　首先，通过在单晶三元镍基合金C-2000分子动力学模型上进行纳米压痕模拟，分析了不同压入晶向、不同压入速度和不同模型尺寸对镍基合金塑性变形的影响。在单晶三元镍基合金C-2000的纳米压痕模拟中，观察到纳米孪晶和一种特殊的五重纳米孪晶，通过分析纳米压痕过程中的晶体微结构变化，阐明了单晶镍基合金模型中纳米孪晶和五重孪晶的形成机理。
　　然后，为了验证三元镍基合金C-2000分子动力学模拟纳米压痕的结果，进行纳米压痕实验，在镍基合金C-2000表面通过纳米压痕实验制备了纳米孪晶结构。获得了峰值载荷为1N时材料的硬度提升效果较为显著，并在此条件下对镍基合金进行大面积纳米压痕重复加载实验。对纳米压痕处理过的表面进行透射电镜观测，获得了共格的纳米孪晶界图像。
　　最后，采用分子动力学模拟另一种航空常用材料三元钛合金Ti-2Al-2.5Zr合金的纳米压痕过程。通过调整模型尺寸，压入速度和压头大小后，在不同晶向的合金模型的内部观察到两种纳米孪晶结构，并分析了这两种纳米孪晶的形成机理。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源与研究背景及意义

1.2 三元镍基合金C-2000和钛合金Ti-2Al-2.5Cr的介绍

1.3 纳米结构金属变形机理研究现状

1.4 纳米压痕分子动力学模拟研究现状

1.5 论文研究内容

2 分子动力学模拟原理及方法

2.1 分子动力学基本原理

2.2 纳米压痕分子动力学建模

2.3 分子动力学模拟软件及分析技术软件

2.4 本章小结

3 单晶三元镍基合金纳米压痕分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 晶向对三元镍基合金纳米压痕分子动力学模拟变形机理的影响

3.3 模型尺寸对三元镍基合金纳米压痕分子动力学模拟变形机理的影响

3.4 载荷速度对三元镍基合金纳米压痕分子动力学模拟变形机理的影响

3.5 本章小结

4 三元镍基合金C-2000纳米孪晶形成机理

4.1 引言

4.2 三元镍基合金C-2000纳米孪晶形成机理

4.3 三元镍基合金五重纳米孪晶的形成机理

4.4 本章小结

5 镍基合金纳米压痕实验

5.1 引言

5.2 镍基合金纳米压痕实验

5.3 镍基合金纳米压痕表征

5.4 本章小结

6 单晶三元钛合金纳米压痕分子动力学模拟

6.1 引言

6.2 三元钛合金纳米压痕建模与纳米压痕模拟过程

6.3 三元钛合金Ti-2Al-2.5Zr纳米压痕分子动力学模拟结果及分析

6.4 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