论文部分内容阅读
金属材料宏观力学性能与其成分组织和微观结构等因素紧密相关,材料的失效破坏行为主要源于位错、层错、晶界以及孪晶界等微观缺陷。本文首先在原子尺度上采用分子动力学方法研究了微观结构和温度对TiAl合金力学性能及其塑性变形机制的影响。准确的原子间相互作用势是保证分子动力学模拟结果合理可靠的重要前提。为更深入研究材料力学行为,本文以金红石相TiO2材料为例,在电子尺度上开展了势函数构建的探索性研究,基于第一性原理计算值和实验值构建了该材料的原子间相互作用势,基于现有文献研究结果,对所构建势函数的正确性进行了相应的验证。以LAMMPS软件为模拟平台,采用分子动力学方法研究了单轴拉伸载荷作用下晶粒尺寸和温度对TiAl合金力学性能及变形机制的影响。研究结果表明:晶粒尺寸<8 nm时,随着晶粒尺寸的增大,纳米多晶TiAl合金的屈服应力增大,出现反Hall-Petch现象,此时主导TiAl合金塑性变形的是晶界迁移和晶粒旋转;当晶粒尺寸>8nm时,屈服应力对晶粒尺寸的敏感性降低,此时塑性变形的主导机制为晶粒内部位错滑移和变形孪晶生长。随着晶粒尺寸的增加,杨氏模量增大;但随着温度升高,杨氏模量反而降低。此外,温度升高会导致位错密度降低且晶界处位错发射时间延后。同时,对拉伸和压缩载荷下孪晶界等微观缺陷和温度变化对纳米多晶TiAl合金微观塑性变形机制的影响也进行了研究。研究结果表明当温度为300 K时流动应力存在明显的拉压不对称性,增加孪晶界距离（TBS）会导致压缩时的纳米多晶TiAl合金流动应力比拉伸时的平均值高14.9%,而当温度增加至600 K时,该值增加到29.9%。逐渐减小TBS,流变应力先增大然后降低。这是由于TBS的变化引起了纳米多晶TiAl合金塑性变形机制的转变。当TBS≤2.16 nm,不全位错在晶界处形核发射并平行于孪晶界运动;当TBS>2.16 nm,位错在孪晶界和晶界的交叉点处形核发射并与孪晶界运动方向相交。并且发生这一转变的临界TBS值还受温度的影响,在600 K时的临界值为3.59 nm,大于300 K时的临界TBS值2.16 nm。其次,基于Buckingham对势模型构建了一种适用于金红石相TiO2晶体分子动力学模拟的原子间相互作用势,并运用所构建势函数进行分子动力学模拟研究,得到金红石相TiO2晶体的晶格常数、体模量、剪切模量和弹性模量等参数,并分别与实验值和第一性原理计算值进行比较验证。结果表明新构建原子间势能够准确地计算金红石相TiO2的晶格常数、体模量、剪切模量和弹性常数等物理参量。此外,还对金红石相TiO2的熔点进行了计算验证,发现该势函数计算出的熔点值与实验值吻合较好,表明所构建势函数的正确性。