【大学】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究

金属材料形变与强化机制的分子动力学研究1编辑ppt裂尖形变机制的分子动力学模拟镍基单晶高温合金沉淀强化机制研究

位错形核和运动(韧脆转变)

形变孪晶

相变和新晶粒形核原子-连续模型的尺寸行为

NiAl

Fe

界面微结构(MD)

蠕变和筏化机制(MD+FE+…)

形状和尺寸以及体积分数的影响;

纳米尺寸效应行为(MD+FE+CM+…MMM)

2编辑ppt金属材料强度和裂纹扩展行为与裂尖变形机制及微结构演化过程密切相关

位错形核和运动形变孪晶

相变和新晶粒形核

铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟3编辑pptAbrahametal.,PNASMD4编辑ppt

0.1KIC/300步0.1KIC/800步0.1KIC/4000步

KI=1.6KIC

Brittlefractureinbcc-iron(a){010}<101>,KI=1.11KIC(b){110}<101>,KI=1.27KIC(c){110}<001>,KI=1.49KIC(d){010}<001>,KI=1.9KICAnisotropyforcleavagefractureStackingfault

(SF)Twinning5编辑ppt*GuoY-F,WangC-Y,ZhaoD-L.MaterSciEngA,2003,349(1-2):29

*Y-FGuo,C-YWang,Y-SWang.Phil.Mag.Lett,2004,84(12):763断裂理论基础,范天佑著,科学出版社,2003,p360-366BrittletoductiletransitionKI=2.2KIC

5K100K200K300K6编辑ppt铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟裂尖相变相变和新晶粒形核及生长机制对裂纹扩展影响A:{100}<110>;B:{110}<110>;C:{111}<110>

7编辑pptF-SN-bodypotential

Getinitialcracksaccordingtocontinuummechanics

RelaxthecrackbyMD

Observethestructureevolutionofthecracktip

differentloadsdifferenttypesofcrackbcc-Ironfixed-displacementboundarycondition

4000steps5×10-15s37nm-37nmPlanestrainconditionLengthofcrack:3.7nm

procedure8编辑pptAnisotropiclinearelasticcontinuumtheoryDisplacementfielduInitialcrack

9编辑pptG.C.Sih,H.Liebowitz(ed.),inFracture:AnAdvancedTreatise(vol.2),Academic,NewYork,1968,p67.Cracktipfieldforplanestraincondition10编辑pptStructureevolutionofthecracktipfordifferenttypesofcracksA:{100}<110>crackB:{110}<110>crackC:{111}<110>crackKI=1.9KIC

thestress-inducedphasetransformationorrecrystallisationcanonlyoccursatKI

〉1.8KIC11编辑pptB:{110}<110>crackC:{111}<110>crackpartialdislocationsemissiononsuccessive

planesbcc-hcp12编辑pptB:{110}<110>crackC:{111}<110>crack90steps110steps140steps40steps80steps140steps13编辑pptbcchcpPhasetransformation

a:2.8665Åto2.733Åb:4.0525Åto4.7336Å

14编辑pptA:{100}<110>crack

newgrainnucleatedwithadifferentorientationfromtheoriginalbcccrystal(90)

boundarybetweenthetwinstripandthenewgrainisa<110>symmetricaltiltboundarywiththerotationangleof70.515编辑pptNewgrainnucleation

newgraingrowswiththegrowthoftwotwinregions,andthelengthsofthenewgrainin

and

directionsarealwaysequaltothethicknessofthetwinregion

and20steps60steps140steps16编辑pptDistributionofshearstressA:{100}<110>crackB:{110}<110>crackABCC:{111}<110>cracksymmetricunsymmetric17编辑ppt铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟

裂尖孪晶形成和新晶粒形核是低温裂尖变形的两种主要方式；新晶粒形成包括相变和非相变两种形式。伴随裂尖结构演化过程，裂尖应力集中得到松弛。裂尖相变过程中新相为hcp结构。由于hcp结构能量高于bcc结构能量(0.11eV/atom)

，相变过程只能在外载很高时才能发生。

界面结构相变机制裂纹沿裂尖新晶粒晶界扩展Y-FGuo,Y-SWang,D-LZhao.ActaMaterialia(inpress)18编辑pptPhasetransformationinNiAl

B2{110}crackplaneistheonlycleavageplaneinB2NiAl(MD,experiments)19编辑ppt{110}<001>crack{100}<001>crackB2-L1020编辑ppt{110}<110>crack{100}<110>crack21编辑ppt原子-连续模型研究断裂问题时的尺寸相关行为

裂尖应力奇异性

22编辑ppt原子弛豫对位移场的影响{010}〈100〉裂纹

垂直于裂纹表面方向：UY，

UX随距离r变化曲线

垂直于裂纹表面方向：dy

，

dx

随距离r变化曲线

23编辑ppt原子区尺寸对裂尖场弛豫结果的影响

如果所取原子区尺寸大于裂尖非线性区半径，体系大小对于弛豫结果没有明显影响24编辑ppt裂纹类型对裂尖场弛豫结果的影响

{010}〈101〉裂纹25编辑ppt原子区尺寸对裂尖区能量分布及裂纹扩展长度的影响

KI

=1.6KIC；LY为原子区在Y方向长度

26编辑ppt原子区尺寸对裂尖结构演化的影响LY=29Å

KI=1.2KICKI=1.6KICKI=1.9KICLY=57ÅKI=1.9KICKI=1.2KIC

KI=1.6KICKI=1.1KICLY=140ÅKI=1.6KIC

KI=1.9KIC

27编辑ppt原子区尺寸对裂尖结构演化的影响KI

=1.9KIC(a)LY=140Å；(b)LY=280Å；(c)LY=360ÅY-FGuo,Y-CGao.ComputationalMaterialsScience,2006,36:432-439.28编辑ppt结论

原子弛豫对原子位置影响较大的区域在距离裂尖约100Å的范围之内,原子弛豫后的裂尖离散区半径约为100Å

如果原子区直径大于300Å，可以运用固定位移边界条件有效模拟bcc-Fe中裂纹的低温脆性解理扩展行为连续模型在小于300Å（30nm）的范围内不再适用原子尺度应力模型本征29编辑ppt移动边界技术

虚线为移动前的边界，实线为移动后的边界；a为扩展前裂纹长度，a´为裂尖移动后的长度

固定位移边界只能保证边界区位移连续，不能保证边界应力连续用原子-连续模型模拟裂纹稳态扩展：运用应力边界条件运用固定位移边界条件时采用移动边界技术30编辑ppt裂纹稳态扩展

（a）加载500步后的裂尖组态（b）弛豫4000步后的裂尖组态

初始载荷1.2KIC每弛豫500步根据裂尖移动的距离更新边界

载荷达到1.4KIC后可以观察到裂纹稳态扩展KI=1.4KIC31编辑ppt镍基单晶高温合金沉淀强化机制研究强化相

软(基体相γ)+硬(沉淀相γ/)

无晶界(相界;共格性好)

纳米尺寸效应行为

结构特点32编辑ppt强化机制固溶强化沉淀强化γ/数量(70％或更高)、尺寸(0.3-0.5μm)、形状(立方)，及本身的固溶强化程度等

筏化现象γ/在高温施加应力条件下，特别是1100K以上，γ•沉淀相会发生定向粗化形成筏状，这种筏化行为直接影响了镍基高温合金的蠕变疲劳寿命，并且断裂面通常沿筏化方向发生(外应力的幅值和方向、晶格错配度、

弹性常数差)33编辑ppt研究兴趣

界面微结构

(MD);蠕变和筏化机制(MD+FE+…)

形状和尺寸以及体积分数的影响;

纳米尺寸效应行为(MD+FE+CM+…MMM)

Size?Temperature?Stress?34编辑pptW-PWu，Y-FGuo,Y-SWang.

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