鈦鋁層合材料拉伸破壞的分子模擬研究.pdf

1、本文主要研究了鈦鋁層合復(fù)合材料的單軸拉伸力學(xué)性能。通過(guò)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法分析了鈦鋁各單獨(dú)材料及其層合材料在單軸拉伸過(guò)程中內(nèi)部位錯(cuò)的演化情況。分析了由于兩邊添加保護(hù)相鋁后，鈦內(nèi)部位錯(cuò)演化的改變；以及當(dāng)保護(hù)相鋁晶粒尺寸減小時(shí)，對(duì)鈦內(nèi)部位錯(cuò)演化所造成的影響。為此，建立了9晶粒的多晶鈦模型，以及4晶粒和9晶粒的多晶鋁模型。借助 Voronoi原理，使模擬盒子被劃分為幾個(gè)不同的晶粒部分，然后再將初始建立好的足夠大單晶模板按照一定旋轉(zhuǎn)角投影到

2、各晶粒部分中，逐一完成各晶粒的建模過(guò)程。所完成多晶模型形狀均為密排方向平行于軋制面的柱狀晶，且滿(mǎn)足各晶粒在平面方向不聯(lián)通的條件。對(duì)多晶模型進(jìn)行單軸拉伸模擬，發(fā)現(xiàn)拉伸曲線(xiàn)可以很好的表現(xiàn)出材料的塑性階段，且4晶粒的多晶鋁與9晶粒的多晶鋁拉伸曲線(xiàn)形狀大致相似，表示本文所建立的多晶模型合理。
　　本文采用一種參數(shù)化方法，先根據(jù)模型在拉伸過(guò)程每一步中各個(gè)晶粒內(nèi)所有原子所處位置偏離完整晶體時(shí)對(duì)應(yīng)原子所應(yīng)處在位置的距離，得出一個(gè)g參數(shù)，再通過(guò)分

3、析g參數(shù)的變化曲線(xiàn)得出總的結(jié)構(gòu)位錯(cuò)在每一步的演化程度。其中對(duì)單晶而言，只需對(duì)整個(gè)模型計(jì)算一個(gè)g參數(shù)；而對(duì)多晶而言，需要對(duì)每個(gè)晶粒分別計(jì)算一個(gè)g參數(shù)。利用g參數(shù)分析兩種邊界條件下單晶鋁單軸拉伸的模擬情況，可以發(fā)現(xiàn)g參數(shù)在結(jié)構(gòu)處于彈性段時(shí)基本保持接近零的直線(xiàn)，而當(dāng)拉伸曲線(xiàn)達(dá)到最高點(diǎn)結(jié)構(gòu)失效時(shí)則突然發(fā)生階躍，表示此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部有大量位錯(cuò)萌生運(yùn)動(dòng)并直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塑性失穩(wěn)。利用g參數(shù)分析單獨(dú)4晶粒和9晶粒鋁的拉伸破壞情況。發(fā)現(xiàn)應(yīng)變直到15％時(shí)，g曲線(xiàn)

4、都基本成平緩上升趨勢(shì)，沒(méi)有較大階躍，這表示鋁結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生塑性變形，但位錯(cuò)并未大量演化，結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)承載。利用g參數(shù)分析單獨(dú)9晶粒鈦的拉伸破壞情況，發(fā)現(xiàn) g曲線(xiàn)上升陡峭，且基本在應(yīng)變達(dá)到7%時(shí)所有晶粒全部失效，表明鈦的塑性性能遠(yuǎn)差于鋁。利用g參數(shù)分析當(dāng)兩邊層合4晶粒鋁后9晶粒鈦的拉伸破壞情況，相比鈦單獨(dú)拉伸而言，g曲線(xiàn)有明顯變平緩趨勢(shì)，整體結(jié)構(gòu)的破壞應(yīng)變推遲到11.3%，表明與保護(hù)相鋁的層合作用可以顯著提升鈦的拉伸塑形性能。利用g參數(shù)分析