γ-TiAl多晶拉伸變形中晶界與含孔洞晶界力學(xué)行為的MD研究.pdf

1、金屬材料中普遍存在著晶體缺陷，這些缺陷導(dǎo)致材料在實(shí)際應(yīng)用過程中的強(qiáng)度和剛度都明顯低于理論預(yù)期。對(duì)于多晶金屬材料來說，晶界的存在以及各晶粒之間位向的多樣化，使得材料在外力作用下發(fā)生的塑性變形和斷裂行為以晶界力學(xué)行為為主導(dǎo)，如晶界滑動(dòng)、晶界發(fā)射位錯(cuò)、晶界阻礙位錯(cuò)滑移、沿晶界斷裂等等。同時(shí)，孔洞是引起材料發(fā)生破壞的重要根源之一，孔洞的長(zhǎng)大與聚合會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能急劇下降，而至今學(xué)術(shù)界對(duì)γ-TiAl多晶拉伸變形原子尺度下的微觀機(jī)制關(guān)注較少。因

2、此本文基于Voronoi算法構(gòu)建γ-TiAl多晶晶胞，采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法模擬γ-TiAl多晶拉伸變形，探究晶界和晶界孔洞對(duì)γ-TiAl多晶拉伸變形微觀機(jī)制的影響，在原子尺度下分析γ-TiAl多晶拉伸變形中的晶界力學(xué)行為。
　　采用MD方法模擬不同平均晶粒尺寸和應(yīng)變率時(shí)γ-TiAl多晶的單向拉伸變形，結(jié)果表明：隨著拉伸應(yīng)變率的增大，應(yīng)力峰值增大；而隨著晶粒尺寸減小，應(yīng)力峰值減小，呈現(xiàn)出明顯的反Hall-Petch規(guī)律。通過觀

3、察原子構(gòu)型演變可知，拉伸變形中部分晶界嚴(yán)重扭曲，表明晶界滑動(dòng)是其主要的變形機(jī)制；同時(shí)，位錯(cuò)只從三岔晶界發(fā)射并向晶粒內(nèi)部滑移，起協(xié)調(diào)變形的作用。各晶粒晶界與晶內(nèi)切應(yīng)力的不均勻分布，使得部分晶粒在拉伸中發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬晶胞邊界處的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)角度較中間晶粒的大。位錯(cuò)在晶界滑動(dòng)與晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)之后形核，可知拉伸變形初期的晶界滑動(dòng)和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)為位錯(cuò)形核提供了位向和切應(yīng)力條件。
　　在上述完整γ-TiAl多晶晶胞中的幾個(gè)特定晶界位置（二維、三維晶界

4、等）構(gòu)建球形孔洞，其半徑分別為0.5nm、0.8nm和1nm。對(duì)此含晶界孔洞的γ-TiAl多晶晶胞的拉伸變形進(jìn)行MD模擬，結(jié)果表明：晶界孔洞使晶胞應(yīng)力峰值降低，且應(yīng)力峰值變化受孔洞位置與孔洞大小的影響。含晶界孔洞γ-TiAl多晶的拉伸塑性變形也是位錯(cuò)協(xié)調(diào)的晶界滑動(dòng)，同樣伴隨著晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，孔洞位置和孔洞大小對(duì)初始位錯(cuò)形核位置有一定的影響。拉伸變形中含晶界孔洞的晶胞裂紋形核位置和完整晶胞相似，均在位向與拉伸方向幾乎垂直的晶界局部應(yīng)力集中處形核