γ-TiAl多晶拉伸变形中晶界与含孔洞晶界力学行为的MD研究

摘要

金属材料中普遍存在着晶体缺陷，这些缺陷导致材料在实际应用过程中的强度和刚度都明显低于理论预期。对于多晶金属材料来说，晶界的存在以及各晶粒之间位向的多样化，使得材料在外力作用下发生的塑性变形和断裂行为以晶界力学行为为主导，如晶界滑动、晶界发射位错、晶界阻碍位错滑移、沿晶界断裂等等。同时，孔洞是引起材料发生破坏的重要根源之一，孔洞的长大与聚合会导致材料的力学性能急剧下降，而至今学术界对γ-TiAl多晶拉伸变形原子尺度下的微观机制关注较少。因此本文基于Voronoi算法构建γ-TiAl多晶晶胞，采用分子动力学（MD）方法模拟γ-TiAl多晶拉伸变形，探究晶界和晶界孔洞对γ-TiAl多晶拉伸变形微观机制的影响，在原子尺度下分析γ-TiAl多晶拉伸变形中的晶界力学行为。
　　采用MD方法模拟不同平均晶粒尺寸和应变率时γ-TiAl多晶的单向拉伸变形，结果表明：随着拉伸应变率的增大，应力峰值增大；而随着晶粒尺寸减小，应力峰值减小，呈现出明显的反Hall-Petch规律。通过观察原子构型演变可知，拉伸变形中部分晶界严重扭曲，表明晶界滑动是其主要的变形机制；同时，位错只从三岔晶界发射并向晶粒内部滑移，起协调变形的作用。各晶粒晶界与晶内切应力的不均匀分布，使得部分晶粒在拉伸中发生显著的转动，模拟晶胞边界处的晶粒转动角度较中间晶粒的大。位错在晶界滑动与晶粒转动之后形核，可知拉伸变形初期的晶界滑动和晶粒转动为位错形核提供了位向和切应力条件。
　　在上述完整γ-TiAl多晶晶胞中的几个特定晶界位置（二维、三维晶界等）构建球形孔洞，其半径分别为0.5nm、0.8nm和1nm。对此含晶界孔洞的γ-TiAl多晶晶胞的拉伸变形进行MD模拟，结果表明：晶界孔洞使晶胞应力峰值降低，且应力峰值变化受孔洞位置与孔洞大小的影响。含晶界孔洞γ-TiAl多晶的拉伸塑性变形也是位错协调的晶界滑动，同样伴随着晶粒转动，孔洞位置和孔洞大小对初始位错形核位置有一定的影响。拉伸变形中含晶界孔洞的晶胞裂纹形核位置和完整晶胞相似，均在位向与拉伸方向几乎垂直的晶界局部应力集中处形核，而孔洞位于该晶界附近时晶胞的裂纹形核较早，裂纹扩展速度也较快。位于与拉伸方向成一定夹角的晶界上的孔洞，在晶界滑动和相邻晶粒的相对转动所引起的不均匀切应力作用下，孔洞发生扭曲，并逐渐收缩变小；当孔径较小时，孔洞最终愈合，孔径较大时，晶界孔洞会与不断扩展的裂纹合并。

目录

第1章 绪论

1.1选题的背景和意义

1.2γ-TiAl合金晶体结构

1.3 晶体缺陷

1.4 金属材料的塑性变形及断裂行为

1.5 晶界力学行为的研究现状

1.6 孔洞影响材料力学性能的研究概况

1.7多尺度模拟方法

1.8 本文研究目的及主要内容

第2章 分子动力学模拟技术

2.1 分子动力学模拟的基本原理

2.2 有限差分算法

2.3 原子间的相互作用势

2.4 边界条件

2.5 系综

2.6 温度和压力的控制

2.7 分子动力学模拟软件介绍

2.8 多晶晶胞构建方法—Voronoi算法

第3章γ-TiAl多晶拉伸变形中晶界力学行为的MD模拟

3.1γ-TiAl多晶模型的构建与拉伸模拟过程

3.2 模拟结果与讨论

3.3 本章小结

第4章 晶界孔洞影响γ-TiAl多晶拉伸变形的MD模拟

4.1 模拟晶胞构建及拉伸模拟过程

4.2 晶界孔洞的位置对γ-TiAl多晶拉伸力学性能的影响

4.3 晶界孔洞的尺寸对γ-TiAl多晶拉伸力学性能的影响

4.4 晶界孔洞对γ-TiAl多晶拉伸塑性变形的影响

4.5 含晶界孔洞的γ-TiAl多晶拉伸变形中的断裂行为

4.6 讨论

4.7 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录 科研成果及参与项目情况