Ni-Co合金拉伸力学性能和变形机制的模拟研究
发布时间：2021-06-15 19:22
Ni-Co合金由于自身优异的性能,在微机电系统以及航空航天等领域展现出巨大的潜力。对于Ni-Co合金宏观体系已经有了大量的研究积累,其本质上是由大量微观结构所组成,当颗粒尺寸降低到微纳级别后,会产生体相所不具备的优异性能,然而,实验室上很难对其完美晶体进行表征,为此,本文使用分子动力学方法研究Ni-Co合金在纳米尺度下微观力学行为与变形机制,为合金纳米结构在实际中的应用提供理论依据与指导。（1）Ni-Co单晶合金纳米柱的拉伸加载过程中,当合金中的Co含量从0增加到20%,纳米柱的屈服强度和杨氏模量都表现出线性增长趋势。Co含量为10%的合金纳米柱变形过程中位错形成的压杆位错数量增多,并且形成了由5个堆垛层错四面体组成的集合,这种结构对位错有吸收固定作用,有效提高了塑性变形阶段的应力,即应变硬化现象,从而对纳米柱起到强化效果;[100]、[110]、[111]晶向上具有可开动的滑移系数量不同而导致不同的变形模式,其中[110]晶向上的生成的位错单一并且形成的孪晶对纳米柱强度并没有增强作用;在50K温度变形时,位错间的相互反应促使了棱柱状位错环的生成,由于该结构对位错的固定作用导致纳米柱强...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
材料科学研究方法间的关系
Ni-Co合金拉伸力学性能和变形机制的模拟研究82.2.1基本原理图2.3分子动力学模拟方法如图2.3所示，分子动力学方法主要依据牛顿力学方程来模拟分子体系的运动，获得分子运动轨迹的相关信息，即体系在相空间的时间演化轨迹。从演化轨迹中抽取样本，计算体系的构型积分，进而可以计算体系的宏观热力学性质和动力学性质[69]。F(t)代表粒子受到的力；m为粒子质量；α(t)表示原子的加速度。F(t)又等于势能对位置坐标的一阶导数：其中U表示势能函数，从而得到对N个粒子体系的每个粒子有：式中v为速度矢量，通过对以上方程的推导求解，可以得到系统中原子的运动状态。2.2.2积分算法（1）Verlet算法[70]分子动力学模拟中最常用的运动方程积分算法是Verlet算法，主要是依据系统中的粒子在t时刻和t-δt时刻的位置，推导计算出t+δt时刻位置。算法的推导通过Taylor级数展开：
Ni-Co合金拉伸力学性能和变形机制的模拟研究10该算法需要计算坐标更新之后和速度更新前的力，并且需要将每个时间步的力、坐标和速度进行存储。2.2.3边界条件虽然计算机水平有了高速发展，但限制于计算机运行模拟能力和计算量的大小，导致模拟的体系不能过大，只能局限于有限空间的分子或原子，因此就产生边界条件的限制。在分子动力学模拟中，不同边界条件适用于不同的模拟对象，因此在模拟之前都要给模型设定适宜的边界条件。在分子动力学中，主要有四类边界条件：周期性边界条件、自由边界条件、固定边界条件和柔性边界条件等。自由边界条件意味着不存在任何关于原子的运动的约束条件。在这种情况下，原子通常会形成一个紧凑的团簇，其中一些原子暴露于外界。这样的边界条件并不能很好地描述实际材料，因为它完全忽略了外部原子的影响，并且在模拟体积中引入了不必要的表面。减少不必要表面的一种方法是固定平衡模拟体系表面的原子，让它们处于刚性不动的的位置。这种固定边界条件是一种相对简单的处理方法，但是在真实材料的动态模拟中，所有原子都应该是能够移动，所以这种边界条件的适用范围并不大。作为一种改进，柔性边界条件允许边界层中的原子根据内部原子的运动调整它们的位置。人们一直致力于寻找更好的边界条件，目标是尽可能减少表面积的同时不包含太多的原子，从而来最大化数值模拟的效率。目前，周期边界条件是所有边界条件类型中最符合实际的。周期边界条件的特殊优势在于它完全消除了表面效应并保持了模拟体积的平移不变性，这在模拟晶体时尤其重要。在模拟体系中，周期边界条件可以应用于其中的一个或两个方向，也可以在三个方向上都采用周期边界条件。图2.4周期性边界条件
【参考文献】：
期刊论文
[1]γ’相的形貌对Ni-Co基高温合金Portevin-Le Chatelier效应的影响[J]. 张国梁,王新广,王道红,李志海,严红彬,崔传勇. 材料研究学报. 2018(09)
[2]电镀Ni-Co镀层的研究现状和发展趋势[J]. 张伟,林志峰,许立坤,陈守刚,刘盈. 材料保护. 2018(08)
[3]剪切载荷条件下镍基单晶合金裂纹扩展与微观结构演化行为研究（英文）[J]. 李本,张世明,F.A.Essa,董超,余金桂,章桥新. 稀有金属材料与工程. 2018(05)
[4]Ni-Co合金的制备及其析氢电催化性能[J]. 周琦,王亚飞,冯基伟,李志洋. 金属热处理. 2018(04)
[5]载荷对镍钴合金镀层耐磨性的影响[J]. 刘霁云,赵阳,董世运,徐滨士. 装甲兵工程学院学报. 2017(04)
[6]镍基高温合金摩擦焊接研究现状[J]. 李翔,肖遥,马铁军,李文亚,杨夏炜. 航空制造技术. 2015(15)
[7]电镀Ni-Co合金镀层耐腐蚀性能研究[J]. 宋振兴,姚素薇,王宏智,张卫国. 电镀与精饰. 2014(11)
[8]结晶器铜板Ni-Co电镀层的耐磨性[J]. 耿哲,刘阳,张宏杰,李曙. 中国表面工程. 2013(06)
[9]不同结构纳米晶镍钴合金的力学性能[J]. 秦丽元,连建设,蒋恩臣,刘中原. 中国有色金属学报. 2013(10)
[10]高温耐蚀镍基合金的焊接研究现状及展望[J]. 牛卫杰,王国平,刘进伟. 现代焊接. 2013(09)
本文编号：3231632
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
材料科学研究方法间的关系
Ni-Co合金拉伸力学性能和变形机制的模拟研究82.2.1基本原理图2.3分子动力学模拟方法如图2.3所示，分子动力学方法主要依据牛顿力学方程来模拟分子体系的运动，获得分子运动轨迹的相关信息，即体系在相空间的时间演化轨迹。从演化轨迹中抽取样本，计算体系的构型积分，进而可以计算体系的宏观热力学性质和动力学性质[69]。F(t)代表粒子受到的力；m为粒子质量；α(t)表示原子的加速度。F(t)又等于势能对位置坐标的一阶导数：其中U表示势能函数，从而得到对N个粒子体系的每个粒子有：式中v为速度矢量，通过对以上方程的推导求解，可以得到系统中原子的运动状态。2.2.2积分算法（1）Verlet算法[70]分子动力学模拟中最常用的运动方程积分算法是Verlet算法，主要是依据系统中的粒子在t时刻和t-δt时刻的位置，推导计算出t+δt时刻位置。算法的推导通过Taylor级数展开：
Ni-Co合金拉伸力学性能和变形机制的模拟研究10该算法需要计算坐标更新之后和速度更新前的力，并且需要将每个时间步的力、坐标和速度进行存储。2.2.3边界条件虽然计算机水平有了高速发展，但限制于计算机运行模拟能力和计算量的大小，导致模拟的体系不能过大，只能局限于有限空间的分子或原子，因此就产生边界条件的限制。在分子动力学模拟中，不同边界条件适用于不同的模拟对象，因此在模拟之前都要给模型设定适宜的边界条件。在分子动力学中，主要有四类边界条件：周期性边界条件、自由边界条件、固定边界条件和柔性边界条件等。自由边界条件意味着不存在任何关于原子的运动的约束条件。在这种情况下，原子通常会形成一个紧凑的团簇，其中一些原子暴露于外界。这样的边界条件并不能很好地描述实际材料，因为它完全忽略了外部原子的影响，并且在模拟体积中引入了不必要的表面。减少不必要表面的一种方法是固定平衡模拟体系表面的原子，让它们处于刚性不动的的位置。这种固定边界条件是一种相对简单的处理方法，但是在真实材料的动态模拟中，所有原子都应该是能够移动，所以这种边界条件的适用范围并不大。作为一种改进，柔性边界条件允许边界层中的原子根据内部原子的运动调整它们的位置。人们一直致力于寻找更好的边界条件，目标是尽可能减少表面积的同时不包含太多的原子，从而来最大化数值模拟的效率。目前，周期边界条件是所有边界条件类型中最符合实际的。周期边界条件的特殊优势在于它完全消除了表面效应并保持了模拟体积的平移不变性，这在模拟晶体时尤其重要。在模拟体系中，周期边界条件可以应用于其中的一个或两个方向，也可以在三个方向上都采用周期边界条件。图2.4周期性边界条件
【参考文献】：
期刊论文
[1]γ’相的形貌对Ni-Co基高温合金Portevin-Le Chatelier效应的影响[J]. 张国梁,王新广,王道红,李志海,严红彬,崔传勇. 材料研究学报. 2018(09)
[2]电镀Ni-Co镀层的研究现状和发展趋势[J]. 张伟,林志峰,许立坤,陈守刚,刘盈. 材料保护. 2018(08)
[3]剪切载荷条件下镍基单晶合金裂纹扩展与微观结构演化行为研究（英文）[J]. 李本,张世明,F.A.Essa,董超,余金桂,章桥新. 稀有金属材料与工程. 2018(05)
[4]Ni-Co合金的制备及其析氢电催化性能[J]. 周琦,王亚飞,冯基伟,李志洋. 金属热处理. 2018(04)
[5]载荷对镍钴合金镀层耐磨性的影响[J]. 刘霁云,赵阳,董世运,徐滨士. 装甲兵工程学院学报. 2017(04)
[6]镍基高温合金摩擦焊接研究现状[J]. 李翔,肖遥,马铁军,李文亚,杨夏炜. 航空制造技术. 2015(15)
[7]电镀Ni-Co合金镀层耐腐蚀性能研究[J]. 宋振兴,姚素薇,王宏智,张卫国. 电镀与精饰. 2014(11)
[8]结晶器铜板Ni-Co电镀层的耐磨性[J]. 耿哲,刘阳,张宏杰,李曙. 中国表面工程. 2013(06)
[9]不同结构纳米晶镍钴合金的力学性能[J]. 秦丽元,连建设,蒋恩臣,刘中原. 中国有色金属学报. 2013(10)
[10]高温耐蚀镍基合金的焊接研究现状及展望[J]. 牛卫杰,王国平,刘进伟. 现代焊接. 2013(09)
本文编号：3231632
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3231632.html
