纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

摘要

随着纳米科技的不断发展以及材料器件等不断趋向小型化，纳米晶体NiTi合金在电子、机械、航空、能源、交通、医疗等诸多领域得到了广泛应用。NiTi形状记忆合金独特的热-力学特性由其马氏体相变和重定向机制决定，因此，在原子尺度上揭示相变、重定向微观机制一方面可为高性能NiTi形状记忆合金的设计与制备提供理论指导，另一方面也能为基于微观机理本构模型的建立提供信息，具有重要的科学和工程意义。虽然目前在NiTi合金应力/温度诱发马氏体相变的分子动力学模拟方面取得了较大进展，但已有工作很少涉及应力诱发马氏体重定向，且没有探究单程形状记忆效应对加载条件的依赖性。本文采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法对纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应进行模拟，揭示其在温度诱发马氏体相变和马氏体状态下应力诱发马氏体重定向过程中的晶体结构特征及微结构演化，并分析边界条件以及尺寸因素所产生的影响。此外进一步讨论不同峰值应力和不同加卸载速率对单晶NiTi合金变形行为和微结构演化的影响，探究原子尺度下马氏体相变和马氏体重定向在不同影响因素下的变化规律以及不可恢复塑性变形的产生机理。本文的研究工作对于深入揭示NiTi形状记忆合金原子结构微观演变机理具有重要意义，此研究能够阐明相变过程中所涉及的原子迁移过程(如马氏体成核和生长、晶体孪生行为以及不可恢复应变的发生)，这些也都对NiTi形状记忆合金产品的性能优化、寿命评估和安全设计具有重要实践指导意义。本文主要开展了以下研究工作：　　(1)建立纳米单晶NiTi形状记忆合金分子动力学模型，对周期性边界条件下的块状单晶NiTi合金的形状记忆效应进行模拟，此外分析了应力峰值和应力加卸载率因素对NiTi合金形状记忆效应的影响。　　(2)将模型的边界改为非周期性边界，以y方向为周期性边界，x、z方向为非周期性边界，对单晶NiTi合金的形状记忆效应进行模拟，讨论自由表面所造成的影响。　　(3)改变原模型的长宽高比例，建立三种不同尺寸的NiTi单晶纳米柱模型，讨论在非周期性边界条件下尺寸因素对单晶纳米柱温度诱发相变及形状记忆效应的影响。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究意义

1.2 NiTi合金的形状记忆效应

1.3国内外研究现状

1.3.1 NiTi 合金形状记忆效应的宏微观实验研究

1.3.2 NiTi 合金形状记忆效应的理论模型研究

1.3.3 NiTi 合金形状记忆效应的分子动力学模拟

1.4 现有研究的不足和本文内容

1.4.1 现有研究工作的不足

1.4.2 本论文的主要研究内容

1.4.3 本论文的主要创新点

第2 章 纳米单晶NiTi 合金形状记忆效应的分子动力学建模

2.1 分子动力学基本原理

2.1.1 分子动力学方法简介

2.1.2 势函数的选择

2.1.3 边界条件的选择

2.2 纳米单晶 NiTi 合金形状记忆效应的分子动力学模型

2.3 模拟及后处理软件

第3 章 周期性边界条件下块状纳米单晶NiTi 合金形状记忆效应

3.1 引言

3.2 纳米单晶 NiTi 形状记忆合金模型建立

3.3 模拟结果与讨论

3.3.1 温度诱发相变

3.3.2 单程形状记忆效应

3.3.3 峰值应力的影响

3.3.4 加卸载速率的影响

3.4 本章小结

第4 章 非周期性边界条件下纳米单晶NiTi 合金形状记忆效应

4.1 引言

4.2 纳米单晶 NiTi 形状记忆合金模型建立

4.2.1 立方单晶 NiTi 合金模型

4.2.2 NiTi 单晶纳米柱模型

4.3 立方单晶 NiTi 合金形状记忆效应

4.3.1 温度诱发相变

4.3.2 单程形状记忆效应

4.3.3 峰值应力的影响

4.3.4 加卸载速率的影响

4.4 NiTi 单晶纳米柱形状记忆效应

4.4.1 温度诱发相变

4.4.2 单程形状记忆效应

4.5 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果