Ni基單晶高溫合金及Fe中裂紋和位錯(cuò)的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、裂紋和位錯(cuò)是晶體中的兩種非常重要的缺陷，它們和材料的強(qiáng)度密切相關(guān)，因此有必要對(duì)裂紋擴(kuò)展和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律進(jìn)行深入地研究。本研究主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 ⑴利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了單晶Ni3Al(Ll2結(jié)構(gòu))中(010)[101]型裂紋低溫?cái)U(kuò)展過程中的形變機(jī)制。首先，我們計(jì)算了體系沿不同方向滑移時(shí)的不穩(wěn)定堆垛能；基于能量計(jì)算，可知[o11]型超位錯(cuò)將分解為被堆垛層錯(cuò)分開的部分位錯(cuò)。然后我們模擬了(010)[101]型裂紋體系，

2、模擬結(jié)果表明：在初始時(shí)刻裂紋呈脆性解理擴(kuò)展，當(dāng)裂紋的擴(kuò)展速度超過一定值時(shí)，部分位錯(cuò)就會(huì)從裂尖及裂尖附近發(fā)射出去，隨后在相鄰的{111}晶面上形成內(nèi)稟堆垛層錯(cuò)，從而在{111}晶面上形成外稟層錯(cuò)及微孿晶。從我們的模擬可知：Ni3AI的低溫韌斷伴隨著微孿晶的產(chǎn)生，該微孿晶是內(nèi)稟層錯(cuò)在相鄰的{111}晶面堆垛而形成的。
　　 ⑵利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了單晶Ni3Al中I型裂紋在外應(yīng)力下的擴(kuò)展，裂紋面為(111)晶面，裂紋的前沿方向?yàn)閇11

3、0]晶向。我們?cè)敿?xì)研究了裂尖位錯(cuò)的發(fā)射條件及位錯(cuò)從裂尖的發(fā)射過程。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)：低溫下，在裂紋開始快速解理擴(kuò)展前，Shockley部分位錯(cuò)被從裂尖發(fā)射出來(lái)，且在相鄰的(111)晶面上傳播，從而在(11 T)晶面上形成偽孿晶(pseudo-twins)；當(dāng)偽孿晶達(dá)到一定厚度時(shí)裂紋開始解理擴(kuò)展，在整個(gè)裂紋解理擴(kuò)展過程中，Shockley部分位錯(cuò)不斷地從裂尖發(fā)射出來(lái)。在較高溫度下，裂紋因?yàn)樵?100)晶面上發(fā)射[110]超位錯(cuò)而鈍化。在本工作中

4、我們還發(fā)現(xiàn)(111)晶面上的位錯(cuò)偶極子可以從1/2[110]位錯(cuò)的芯部被激發(fā)出來(lái)，即1/2[110]位錯(cuò)芯具有位錯(cuò)源的作用。
　　 ⑶用分子動(dòng)力學(xué)研究了鎳基單晶合金相界面上錯(cuò)配位錯(cuò)在外加切應(yīng)力下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在模擬中我們給出了扭折的原子結(jié)構(gòu)且測(cè)量了扭折的寬度，同時(shí)還觀測(cè)到了理論上預(yù)期存在的超聲速扭折和多重扭折，以及位錯(cuò)環(huán)和孿晶。模擬結(jié)果表明：在低應(yīng)力下，錯(cuò)配位錯(cuò)通過扭折在錯(cuò)配位錯(cuò)交點(diǎn)處的形核及沿著位錯(cuò)線的遷移來(lái)運(yùn)動(dòng)；在較高的應(yīng)力或

5、較高溫度下，錯(cuò)配位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到孿晶的阻礙。從我們的模擬中可知：鎳基單晶合金相界面的穩(wěn)定性強(qiáng)烈地依賴于相互垂直的錯(cuò)配位錯(cuò)的相互作用。我們的工作還表明：離散的Frenkel-Kontorova模型比連續(xù)的sine-Gordon模型更適合用來(lái)描述錯(cuò)配位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。
　　 ⑷利用分子動(dòng)力學(xué)的方法模擬了在低溫及不同應(yīng)變加載下bcc鐵中裂紋的擴(kuò)展。模擬結(jié)果顯示：在低應(yīng)變加載時(shí)，裂紋在脆性擴(kuò)展過程中沒有孿晶擴(kuò)展相伴隨；在較高的應(yīng)變加載時(shí)，裂紋在