温度对多晶γ-TiAl合金中微裂纹扩展影响的分子动力学模拟

发布时间：2020-08-26 00:30

【摘要】：钛铝合金是近年来迅速发展,并得到大量运用的合金材料,由于其具有低密度、高强度、耐高温等优势,在航空航天、汽车工业等领域受到了广泛的关注,是新一代理想的轻质耐高温合金材料。但是钛铝合金也存在室温脆性及高的裂纹扩展率等缺点,这些缺陷容易造成材料在使用过程中的断裂失效,而裂纹的失稳扩展是导致材料失效的主要原因,因此需要对裂纹的扩展过程和断裂的机理进行深入详细的研究。本文以多晶γ-Ti Al合金为研究对象,借助开源命令程序Atomsk,采用Voronoi算法建立多晶体模型,构建晶体塑性本构关系,对γ-Ti Al合金多晶体进行了单轴拉伸的分子动力学模拟,对比研究了五种不同温度下多晶γ-Ti Al合金晶界上微裂纹和晶粒内微裂纹的扩展过程。研究结果表明:多晶γ-Ti Al合金晶界上的微裂纹在低温和常温状态下,表现为脆性解理扩展。裂纹先沿晶扩展至晶界或应力集中处,在裂尖附近的晶界处,产生微孔洞,孔洞长大沿晶扩展形成子裂纹,子裂纹与主裂纹的汇合导致材料断裂失效;在中高温下,晶界上微裂纹以脆性蠕变断裂为主,裂纹先沿着晶界扩展,受到阻力扩展变缓慢,裂尖出现钝化,裂纹逐渐形成蠕变空洞并不断长大,进而在三叉晶界处形成楔形裂纹,由此导致沿晶断裂,材料失效。多晶γ-Ti Al合金晶粒内的微裂纹在低温和常温状态下,同样为脆性解理扩展,裂纹以沿晶断裂为主,断口为晶粒状,断裂方式亦为微空洞长大形成子裂纹,沿晶扩展并于主裂纹汇合导致材料断裂;而中高温状态,由于应力和持续高温作用,合金产生缓慢的塑性变形,裂纹逐渐长大,蠕变为空洞,空洞沿晶扩展并最终破裂导致材料断裂失效。高温时合金断裂面为脆性的沿晶断口。不同位置的微裂纹在扩展过程有很多相似处,低温和常温下主要表现为脆性解理断裂,扩展速率较快;中高温状态下主要为脆性蠕变断裂,扩展速率缓慢,高温状态下合金也表现出一定的韧性。但在裂纹扩展初期,晶界上的裂纹为沿晶扩展,晶粒上的裂纹为穿晶扩展;晶界上应力最大值低于晶粒内应力最大值;晶界上裂纹在同一温度下的弹性模量和能量最大值上也较低,表明多晶体晶界在裂纹的扩展中起着重要的作用,晶界对裂纹的扩展及位错运动都具有强烈的阻碍作用。另外,在裂纹扩展的各个阶段都有大量的空位、层错、位错等现象发生。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23
【图文】：

晶格结构,合金,广泛应用,固溶范围

其他合金元素，例如加入 Nb 元素可以提高其断裂韧性、加入 W刚度[10]。该合金的综合性能的提升依赖加入元素的比例、形态以与制造的工艺有关。γ-TiAl 是 L10有序超点阵结构，面心四方结分变化而变化，a=0.3957-0.4015nm，c=0.4062-0.4097nm，c/a 型化合物。δ-TiAl3也具有 D019超点阵结构，其晶胞常数 a=，c/a≈2.23，δ-TiAl3也属于 Kurnakov 型化合物。种稳定化合物中，α2-Ti3Al 合金是较成熟的 TiAl 合金，其室温强，但其使用温度低于γ-TiAl，抗氧化能力较差，由于结构不稳定导被广泛应用；γ-TiAl 相比 Ti3Al 具有较高的弹性模量、抗蠕变能存在室温脆性及高的裂纹扩展速率；δ-TiAl3合金的密度最低，抗点低，限制了其在高温条件下的应用，又因为固溶范围太窄，导加工比较困难，因此也没有被广泛应用。工程实际应用中的 TiAl 合金主要是由大量的γ-TiAl 和少量的α2-]。这两种 TiAl 合金的晶体结构如图 1.1 所示。

对比图,单晶体,对比图,多晶体

单晶体多晶体图 1.2 单晶体与多晶体结构对比图运用分子动力学对多晶体也有研究，Krivtsov 等[34]运用分子动力学模拟体的材料力学性能，提出了一种基于分子动力学方法的多晶材料构建技材料进行了单轴压缩试验，并比较了单晶体和多晶试样的应力应变关系用分子动力学方法对人工构造多晶硅的纳米切削进行了三维仿真，对多机理做了深入研究。刘飞等[36]采用 Voronoi 方法建立了多晶铜切削模型学方法对多晶铜的纳米切削过程进行了动力学仿真，对切削和切削力会阻止位错向晶粒内部运动。iAl 合金多晶体方面，Zhou 等[37]研究了多晶钛铝合金塑性变形后的表面，三维表面粗糙度参数和应变之间的关系是线性的，并且也观察到的表力应变之间的线性关系。谢鑫强等[38]采用 Voronoi 算法建立了γ-TiAl 多模型进行单向拉伸模拟，分析其中的位错、滑移及孪生的现象。结果表同晶粒取向的滑移系与孪生系的启动存在差异。奉新峰等[39]采用分子动

周期性边界条件,排列形式,边界条件

-231.38 10 /Bk J k。零，令 NioldioldinewivNvv11缺陷及相互作用力的原因，系统中原子的初要有一个平衡过程，也即弛豫过程。原子经，相互作用的情况达到较为真实的理想状态作用下进行[42 ]。模拟中，主要包括两种边界条件：周期性边界条件的使用大多是为了研究原胞表面效应性边界条件。由于本文模拟时不需要考虑表

【参考文献】