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

1、1,金屬材料形變與強(qiáng)化機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)研究,2,裂尖形變機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)模擬,鎳基單晶高溫合金沉淀強(qiáng)化機(jī)制研究,位錯(cuò)形核和運(yùn)動(dòng) ( 韌脆轉(zhuǎn)變 ) 形變孿晶 相變和新晶粒形核 原子-連續(xù)模型的尺寸行為,NiAl,Fe,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),3,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,4,Abraham et al., PNAS,MD,5,0.1KIC/300步 0.1KIC/800步

2、 0.1KIC/4000步,KI=1.6KIC,Brittle fracture in bcc-iron,(a) 010 , KI=1.11KIC (b) 110 , KI=1.27KIC (c) 110 , KI=1.49KIC (d) 010 , KI=1.9KIC,Anisotropy for cleavage fracture,Stacking fault (SF),Twinning,6,*Guo Y-F, Wang C-Y, Zhao D-L. Mater Sci Eng A, 2003,349(1-2):29 *Y-F Guo, C-Y Wang, Y-S Wang. Phil.

3、Mag. Lett, 2004, 84(12):763 斷裂理論基礎(chǔ), 范天佑著,科學(xué)出版社,2003,p360-366,Brittle to ductile transition,KI=2.2KIC,5K,100K,200K,300K,7,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 ; B:110 ; C:111 ,8,F-S N-body potential,Get initial cracks according to continuum mechanics,Relax the crack by MD,Observe the s

4、tructure evolution of the crack tip,different loads,different types of crack,bcc-Iron,fixed-displacement boundary condition,4000 steps,510-15s,37nm-37nm,Plane strain condition,Length of crack: 3.7nm,procedure,9,Anisotropic linear elastic continuum theory,Displacement field u,Initial crack,10,G.C. Si

5、h, H. Liebowitz (ed.), in Fracture: An Advanced Treatise (vol.2), Academic, New York, 1968, p67.,Crack tip field for plane strain condition,11,Structure evolution of the crack tip for different types of cracks,A:100 crack B:110 crack C:111 crack,KI = 1.9 KIC,the stress-induced phase transformation o

6、r recrystallisation can only occurs at KI 1.8 KIC,12,B: 110 crack,C: 111 crack,partial dislocations emission on successive planes,bcc-hcp,13,B: 110 crack,C: 111 crack,90 steps,110 steps,140 steps,40 steps,80 steps,140 steps,14,bcc,hcp,Phase transformation,a: 2.8665 to 2.733 ,b: 4.0525 to 4.7336 ,15,

7、A: 100 crack,new grain nucleated with a different orientation from the original bcc crystal (90),boundary between the twin strip and the new grain is a symmetrical tilt boundary with the rotation angle of 70.5,16,New grain nucleation,new grain grows with the growth of two twin regions, and the lengt

8、hs of the new grain in and directions are always equal to the thickness of the twin region,and,20 steps,60 steps,140 steps,17,Distribution of shear stress,A: 100 crack B: 110 crack,A,B,C,C: 111 crack,symmetric,unsymmetric,18,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

9、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-F Guo, Y-S Wang, D-L Zhao. Acta Materialia (in press),19,Phase transformation in NiAl,B2,110 crack plane is the only cleavage plane in B2 NiAl (MD, experiments),20,110 crack,100 crack,B2-L10,21,110

10、 crack,100 crack,22,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,23,原子弛豫對(duì)位移場的影響,010100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,24,原子區(qū)尺寸對(duì)裂尖場弛豫結(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,25,裂紋類型對(duì)裂尖場弛豫結(jié)果的影響,010101裂紋,26,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,27,原子區(qū)尺寸對(duì)裂尖結(jié)構(gòu)演化的影響,LY=29,KI=1.2KIC,K

11、I=1.6KIC,KI=1.9KIC,LY=57,KI=1.9KIC,KI=1.2KIC,KI=1.6KIC,KI=1.1KIC,LY=140,KI=1.6KIC,KI=1.9KIC,28,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-F Guo, Y-C Gao. Computational Materials Science, 2006, 36:432-439.,29,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

12、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,30,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),31,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

13、.4KIC,32,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) + 硬 ( 沉淀相/ ) 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),33,強(qiáng)化機(jī)制,固溶強(qiáng)化,沉淀強(qiáng)化,/數(shù)量 (70或更高) 、尺寸 (0.3-0.5m ) 、 形狀 (立方) ，及本身的固溶強(qiáng)化程度等,筏化現(xiàn)象,/,在高溫施加應(yīng)力條件下，特別是1100K以上，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),34,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?,35,W-P Wu，Y-F Guo, Y-S Wang. Transactions of Nonferrous Metals Society