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合材料的單軸拉伸力學性能。通過采用分子動力學模擬的方法分析了鈦鋁各單獨材料及其層合材料在單軸拉伸過程中內(nèi)部位錯的演化情況。分析了由于兩邊添加保護相鋁后，鈦內(nèi)部位錯演化的改變；以及當保護相鋁晶粒尺寸減小時，對鈦內(nèi)部位錯演化所造成的影響。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，且滿足各晶粒在平面方向不聯(lián)通的條件。對多晶模型進行單軸拉伸模擬，發(fā)現(xiàn)拉伸曲線可以很好的表現(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)模型在拉伸過程每一步中各個晶粒內(nèi)所有原子所處位置偏離完整晶體時對應原子所應處在位置的距離，得出一個g參數(shù)，再通過分

3、析g參數(shù)的變化曲線得出總的結(jié)構(gòu)位錯在每一步的演化程度。其中對單晶而言，只需對整個模型計算一個g參數(shù)；而對多晶而言，需要對每個晶粒分別計算一個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)處于彈性段時基本保持接近零的直線，而當拉伸曲線達到最高點結(jié)構(gòu)失效時則突然發(fā)生階躍，表示此時結(jié)構(gòu)內(nèi)部有大量位錯萌生運動并直接導致結(jié)構(gòu)塑性失穩(wěn)。利用g參數(shù)分析單獨4晶粒和9晶粒鋁的拉伸破壞情況。發(fā)現(xiàn)應變直到15％時，g曲線

4、都基本成平緩上升趨勢，沒有較大階躍，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9晶粒鈦的拉伸破壞情況，發(fā)現(xiàn) g曲線上升陡峭，且基本在應變達到7%時所有晶粒全部失效，表明鈦的塑性性能遠差于鋁。利用g參數(shù)分析當兩邊層合4晶粒鋁后9晶粒鈦的拉伸破壞情況，相比鈦單獨拉伸而言，g曲線有明顯變平緩趨勢，整體結(jié)構(gòu)的破壞應變推遲到11.3%，表明與保護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