高应变率下金属材料力学行为的微观模拟及势函数构建
发布时间：2021-02-06 20:25
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...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
周期性边界条件示意图
重庆理工大学硕士学位论文10图2.2球形的固定边界条件示意图2.1.4温度调节方法温度对体系的原子运动有着很大的影响，在不同系综下都需要根据实际情况对温度进行调节，让温度保持不变或者按照特定规律变化。在分子动力学模拟中经常用到的控温方法有：速度标定法、Berendsen热浴法、Gaussian热浴法和Nose-Hoover热浴法等。1）速度标定法速度标定法[49]通过引入速度标度因子λ，可以使初始温度为T的体系达到期望的研究温度T0：20T=λT（2.6）20TT=(λ1)T（2.7）0TTλ=（2.8）由上式可知，速度标度因子λ乘以某一时刻原子的速度便可控制体系的温度。当体系的温度大于预期温度时，λ＜1；反之，λ＞1。这种方法设计简单、结果清晰、计算速度快，应用十分广泛。2）Berendsen热浴法Berendsen热浴法[50]由Berendsen等人在1987年提出，给定温度为T0的恒温热浴，将所研究体系（体系温度T）放入此热浴中，通过对速度的控制使其进行温度交换，保持二者温度基本一致。201()TTTTtλτ=（2.9）
重庆理工大学硕士学位论文243.2多晶模型构建及参数设定TiAl合金的晶体结构为L10型面心四方（FCT）[23]。本文采用Voronoi构造方法[89]建立TiAl多晶的三维模型200（x）×200（y）×200（z），每个三维模型均包含无缺陷且无纹理的随机取向晶粒，模型中原子总数为448305个。以晶粒尺寸为4nm的模型为例，用可视化软件OVITO[90]观察建立的初始模型如图3.1所示。为了研究尺寸效应，通过调整位置和取向随机分布的晶粒个数建立平均晶粒尺寸分别为2nm、4nm、8nm、12nm、16nm的5个模型。为了研究温度对塑性变形机制和力学性能的影响，分别在0K，300K，600K温度下进行单轴拉伸模拟，并对通过公共近邻列表分析技术（CNA）[91]表征多晶TiAl合金的塑性变形过程。本文的研究对象属于Ti-Al二元体系，因此选择在研究TiAl金属间化合物相关计算中较常用的Zope等人[92]开发出的EAM嵌入原子势，该势函数已广泛应用于TiAl合金的拉伸变形。在三个方向上均采用周期性边界条件以更好的模拟三维柱状样本。在加载之前先让模型在NPT系综下进行驰豫，驰豫时间为6fs，使体系达到能量最低的稳定状态。时间步长为1fs。随后对体系进行加载，在y和z方向上保持恒温和零压，在x方向上以应变率的方式拉伸加载，应变率为4×108s-1。在拉伸模拟过程中，同样使用NPT系综，并且保证yz方向上的压力始终为0以满足单轴拉伸的条件。模拟过程中每隔500步记录动能、势能、应力、应变等相关参数，用于后续分析TiAl合金的力学性能。拉伸变形过程中的温度调节选用Nose-Hoover热浴法[93-94]，压力控制为Anderson控压法[95]。最后，用可视化软件OVITO对模拟过程的图像和动画进行处理。图3.1平均晶粒尺寸为4nm的TiAl多晶初始模型：（a）晶粒识别；（b）公共近邻分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]加载速率对单晶γ-TiAl裂纹扩展影响的分子动力学模拟[J]. 曹卉,芮执元,罗德春,剡昌锋,陈文科. 材料科学与工程学报. 2016(02)
[2]分子动力学模拟用贵金属势函数的应用与发展[J]. 夏璐,陈松,陆建生,谢明,潘勇,胡洁琼,杨有才,张吉明,王松,陈永泰,王塞北,魏宽,李爱坤,李慕阳,任县利. 贵金属. 2013(04)
[3]非均质材料力学研究进展:热点、焦点和生长点——ICHMM2008的观察和启迪[J]. 范镜泓,陈海波. 力学进展. 2011(05)
[4]加载条件下微裂纹动力学行为的多尺度方法模拟[J]. 徐云,陈军,陈栋泉. 北京理工大学学报. 2010(03)
[5]γ-TiAl单晶纳米杆拉伸变形的分子动力学研究[J]. 曲洪磊,王宇,夏源明. 中国科学技术大学学报. 2009(06)
[6]纳米晶铁单向拉伸变形的分子动力学模拟[J]. 潘志亮,李玉龙. 有色金属. 2008(01)
[7]γ-TiAl金属间化合物面缺陷能的分子动力学研究[J]. 周宗荣,王宇,夏源明. 物理学报. 2007(03)
[8]非均匀材料力学:学术思想及研究趋势[J]. 范镜泓. 力学进展. 2004(04)
[9]纳米多晶Ni微观结构与力学性能的分子动力学模拟[J]. 肖时芳,邓辉球,陈曙光,胡望宇. 中国有色金属学报. 2004(07)
[10]晶格反演的嵌入原子法模型及其应用[J]. 张文清,谢谦,赵雪丹,陈难先. 中国科学（A辑）. 1998(02)
本文编号：3021045
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
周期性边界条件示意图
重庆理工大学硕士学位论文10图2.2球形的固定边界条件示意图2.1.4温度调节方法温度对体系的原子运动有着很大的影响，在不同系综下都需要根据实际情况对温度进行调节，让温度保持不变或者按照特定规律变化。在分子动力学模拟中经常用到的控温方法有：速度标定法、Berendsen热浴法、Gaussian热浴法和Nose-Hoover热浴法等。1）速度标定法速度标定法[49]通过引入速度标度因子λ，可以使初始温度为T的体系达到期望的研究温度T0：20T=λT（2.6）20TT=(λ1)T（2.7）0TTλ=（2.8）由上式可知，速度标度因子λ乘以某一时刻原子的速度便可控制体系的温度。当体系的温度大于预期温度时，λ＜1；反之，λ＞1。这种方法设计简单、结果清晰、计算速度快，应用十分广泛。2）Berendsen热浴法Berendsen热浴法[50]由Berendsen等人在1987年提出，给定温度为T0的恒温热浴，将所研究体系（体系温度T）放入此热浴中，通过对速度的控制使其进行温度交换，保持二者温度基本一致。201()TTTTtλτ=（2.9）
重庆理工大学硕士学位论文243.2多晶模型构建及参数设定TiAl合金的晶体结构为L10型面心四方（FCT）[23]。本文采用Voronoi构造方法[89]建立TiAl多晶的三维模型200（x）×200（y）×200（z），每个三维模型均包含无缺陷且无纹理的随机取向晶粒，模型中原子总数为448305个。以晶粒尺寸为4nm的模型为例，用可视化软件OVITO[90]观察建立的初始模型如图3.1所示。为了研究尺寸效应，通过调整位置和取向随机分布的晶粒个数建立平均晶粒尺寸分别为2nm、4nm、8nm、12nm、16nm的5个模型。为了研究温度对塑性变形机制和力学性能的影响，分别在0K，300K，600K温度下进行单轴拉伸模拟，并对通过公共近邻列表分析技术（CNA）[91]表征多晶TiAl合金的塑性变形过程。本文的研究对象属于Ti-Al二元体系，因此选择在研究TiAl金属间化合物相关计算中较常用的Zope等人[92]开发出的EAM嵌入原子势，该势函数已广泛应用于TiAl合金的拉伸变形。在三个方向上均采用周期性边界条件以更好的模拟三维柱状样本。在加载之前先让模型在NPT系综下进行驰豫，驰豫时间为6fs，使体系达到能量最低的稳定状态。时间步长为1fs。随后对体系进行加载，在y和z方向上保持恒温和零压，在x方向上以应变率的方式拉伸加载，应变率为4×108s-1。在拉伸模拟过程中，同样使用NPT系综，并且保证yz方向上的压力始终为0以满足单轴拉伸的条件。模拟过程中每隔500步记录动能、势能、应力、应变等相关参数，用于后续分析TiAl合金的力学性能。拉伸变形过程中的温度调节选用Nose-Hoover热浴法[93-94]，压力控制为Anderson控压法[95]。最后，用可视化软件OVITO对模拟过程的图像和动画进行处理。图3.1平均晶粒尺寸为4nm的TiAl多晶初始模型：（a）晶粒识别；（b）公共近邻分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]加载速率对单晶γ-TiAl裂纹扩展影响的分子动力学模拟[J]. 曹卉,芮执元,罗德春,剡昌锋,陈文科. 材料科学与工程学报. 2016(02)
[2]分子动力学模拟用贵金属势函数的应用与发展[J]. 夏璐,陈松,陆建生,谢明,潘勇,胡洁琼,杨有才,张吉明,王松,陈永泰,王塞北,魏宽,李爱坤,李慕阳,任县利. 贵金属. 2013(04)
[3]非均质材料力学研究进展:热点、焦点和生长点——ICHMM2008的观察和启迪[J]. 范镜泓,陈海波. 力学进展. 2011(05)
[4]加载条件下微裂纹动力学行为的多尺度方法模拟[J]. 徐云,陈军,陈栋泉. 北京理工大学学报. 2010(03)
[5]γ-TiAl单晶纳米杆拉伸变形的分子动力学研究[J]. 曲洪磊,王宇,夏源明. 中国科学技术大学学报. 2009(06)
[6]纳米晶铁单向拉伸变形的分子动力学模拟[J]. 潘志亮,李玉龙. 有色金属. 2008(01)
[7]γ-TiAl金属间化合物面缺陷能的分子动力学研究[J]. 周宗荣,王宇,夏源明. 物理学报. 2007(03)
[8]非均匀材料力学:学术思想及研究趋势[J]. 范镜泓. 力学进展. 2004(04)
[9]纳米多晶Ni微观结构与力学性能的分子动力学模拟[J]. 肖时芳,邓辉球,陈曙光,胡望宇. 中国有色金属学报. 2004(07)
[10]晶格反演的嵌入原子法模型及其应用[J]. 张文清,谢谦,赵雪丹,陈难先. 中国科学（A辑）. 1998(02)
本文编号：3021045
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