大學(xué)金屬材料形變與強(qiáng)化機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)研究

大學(xué)金屬材料形變與強(qiáng)化機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)研究第1頁/共36頁2金屬材料強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展行為與裂尖變形機(jī)制及微結(jié)構(gòu)演化過程密切相關(guān)

位錯(cuò)形核和運(yùn)動(dòng)形變孿晶

相變和新晶粒形核

鐵中裂尖形變機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)模擬第2頁/共36頁3Abrahametal.,PNASMD第3頁/共36頁4

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)Twinning第4頁/共36頁5*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斷裂理論基礎(chǔ),范天佑著,科學(xué)出版社,2003,p360-366BrittletoductiletransitionKI=2.2KIC

5K100K200K300K第5頁/共36頁6鐵中裂尖形變機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)模擬裂尖相變相變和新晶粒形核及生長機(jī)制對(duì)裂紋擴(kuò)展影響A:{100}<110>;B:{110}<110>;C:{111}<110>

第6頁/共36頁7F-SN-bodypotential

Getinitialcracksaccordingtocontinuummechanics

RelaxthecrackbyMD

Observethestructureevolutionofthecracktip

differentloadsdifferenttypesofcrackbcc-Ironfixed-displacementboundarycondition

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

procedure第7頁/共36頁8AnisotropiclinearelasticcontinuumtheoryDisplacementfielduInitialcrack

第8頁/共36頁9G.C.Sih,H.Liebowitz(ed.),inFracture:AnAdvancedTreatise(vol.2),Academic,NewYork,1968,p67.Cracktipfieldforplanestraincondition第9頁/共36頁10StructureevolutionofthecracktipfordifferenttypesofcracksA:{100}<110>crackB:{110}<110>crackC:{111}<110>crackKI=1.9KIC

thestress-inducedphasetransformationorrecrystallisationcanonlyoccursatKI

〉1.8KIC第10頁/共36頁11B:{110}<110>crackC:{111}<110>crackpartialdislocationsemissiononsuccessive

planesbcc-hcp第11頁/共36頁12B:{110}<110>crackC:{111}<110>crack90steps110steps140steps40steps80steps140steps第12頁/共36頁13bcchcpPhasetransformation

a:2.8665?to2.733?b:4.0525?to4.7336?

第13頁/共36頁14A:{100}<110>crack

newgrainnucleatedwithadifferentorientationfromtheoriginalbcccrystal(90)

boundarybetweenthetwinstripandthenewgrainisa<110>symmetricaltiltboundarywiththerotationangleof70.5第14頁/共36頁15Newgrainnucleation

newgraingrowswiththegrowthoftwotwinregions,andthelengthsofthenewgrainin

and

directionsarealwaysequaltothethicknessofthetwinregion

and20steps60steps140steps第15頁/共36頁16DistributionofshearstressA:{100}<110>crackB:{110}<110>crackABCC:{111}<110>cracksymmetricunsymmetric第16頁/共36頁17鐵中裂尖形變機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)模擬

裂尖孿晶形成和新晶粒形核是低溫裂尖變形的兩種主要方式；新晶粒形成包括相變和非相變兩種形式。伴隨裂尖結(jié)構(gòu)演化過程，裂尖應(yīng)力集中得到松弛。裂尖相變過程中新相為hcp結(jié)構(gòu)。由于hcp結(jié)構(gòu)能量高于bcc結(jié)構(gòu)能量(0.11eV/atom)

，相變過程只能在外載很高時(shí)才能發(fā)生。

界面結(jié)構(gòu)相變機(jī)制裂紋沿裂尖新晶粒晶界擴(kuò)展Y-FGuo,Y-SWang,D-LZhao.ActaMaterialia(inpress)第17頁/共36頁18PhasetransformationinNiAl

B2{110}crackplaneistheonlycleavageplaneinB2NiAl(MD,experiments)第18頁/共36頁19{110}<001>crack{100}<001>crackB2-L10第19頁/共36頁20{110}<110>crack{100}<110>crack第20頁/共36頁21原子-連續(xù)模型研究斷裂問題時(shí)的尺寸相關(guān)行為

裂尖應(yīng)力奇異性

第21頁/共36頁22原子弛豫對(duì)位移場(chǎng)的影響{010}〈100〉裂紋

垂直于裂紋表面方向：UY，

UX隨距離r變化曲線

垂直于裂紋表面方向：dy

，

dx

隨距離r變化曲線

第22頁/共36頁23原子區(qū)尺寸對(duì)裂尖場(chǎng)弛豫結(jié)果的影響

如果所取原子區(qū)尺寸大于裂尖非線性區(qū)半徑，體系大小對(duì)于弛豫結(jié)果沒有明顯影響第23頁/共36頁24裂紋類型對(duì)裂尖場(chǎng)弛豫結(jié)果的影響

{010}〈101〉裂紋第24頁/共36頁25原子區(qū)尺寸對(duì)裂尖區(qū)能量分布及裂紋擴(kuò)展長度的影響

KI

=1.6KIC；LY為原子區(qū)在Y方向長度

第25頁/共36頁26原子區(qū)尺寸對(duì)裂尖結(jié)構(gòu)演化的影響LY=29?

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

KI=1.6KICKI=1.1KICLY=140?KI=1.6KIC

KI=1.9KIC

第26頁/共36頁27原子區(qū)尺寸對(duì)裂尖結(jié)構(gòu)演化的影響KI

=1.9KIC(a)LY=140?；(b)LY=280?；(c)LY=360?Y-FGuo,Y-CGao.ComputationalMaterialsScience,2006,36:432-439.第27頁/共36頁28結(jié)論

原子弛豫對(duì)原子位置影響較大的區(qū)域在距離裂尖約100?的范圍之內(nèi),原子弛豫后的裂尖離散區(qū)半徑約為100?

如果原子區(qū)直徑大于300?，可以運(yùn)用固定位移邊界條件有效模擬bcc-Fe中裂紋的低溫脆性解理擴(kuò)展行為連續(xù)模型在小于300?（30nm）的范圍內(nèi)不再適用原子尺度應(yīng)力模型本征第28頁/共36頁29移動(dòng)邊界技術(shù)

虛線為移動(dòng)前的邊界，實(shí)線為移動(dòng)后的邊界；a為擴(kuò)展前裂紋長度，a′為裂尖移動(dòng)后的長度

固定位移邊界只能保證邊界區(qū)位移連續(xù)，不能保證邊界應(yīng)力連續(xù)用原子-連續(xù)模型模擬裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展：運(yùn)用應(yīng)力邊界條件運(yùn)用固定位移邊界條件時(shí)采用移動(dòng)邊界技術(shù)第29頁/共36頁30裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展

（a）加載500步后的裂尖組態(tài)（b）弛豫4000步后的裂尖組態(tài)

初始載荷1.2KIC每弛豫500步根據(jù)裂尖移動(dòng)的距離更新邊界

載荷達(dá)到1.4KIC后可以觀察到裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展KI=1.4KIC第30頁/共36頁31鎳基單晶高溫合金沉淀強(qiáng)化機(jī)制研究強(qiáng)化相

軟(基體相γ)+硬(沉淀相γ/)

無晶界(相界;共格性好)

納米尺寸效應(yīng)行為

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第31頁/共36頁32強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化γ/數(shù)量(70％或更高)、尺寸(0.3-0.5μm)、形狀(立方)，及本身的固溶強(qiáng)化程度等

筏化現(xiàn)象γ/在高溫施加應(yīng)力條件下，特別是1100K以上，γ?沉淀相會(huì)發(fā)生定向粗化形成筏狀，這種筏化行為直接影響了鎳基高溫合金的蠕變疲勞壽命，并且斷裂面通常沿筏化方向發(fā)生(外應(yīng)力的幅值和方向、晶格錯(cuò)配度、

彈性常數(shù)差)第32頁/共36頁33研究興趣

界面微結(jié)構(gòu)

(MD);蠕變和筏化機(jī)制(MD+FE+…)

形狀和尺寸以及體積分?jǐn)?shù)的影響;

納米尺寸效應(yīng)行為(MD+FE+CM+…MMM)

Size?Temperature?Stress?第33頁/共36頁34W-PWu，Y-FGuo,Y-SWang.

TransactionsofNonferrousMetalsSociet