金屬材料宏觀(guān)力學(xué)性能與其成分組織和微觀(guān)結(jié)構(gòu)等因素緊密相關(guān),材料的失效破壞行為主要源于位錯(cuò)、層錯(cuò)、晶界以及孿晶界等微觀(guān)缺陷。本文首先在原子尺度上采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了微觀(guān)結(jié)構(gòu)和溫度對(duì)TiAl合金力學(xué)性能及其塑性變形機(jī)制的影響。準(zhǔn)確的原子間相互作用勢(shì)是保證分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果合理可靠的重要前提。為更深入研究材料力學(xué)行為,本文以金紅石相TiO₂材料為例,在電子尺度上開(kāi)展了勢(shì)函數(shù)構(gòu)建的探索性研究,基于第一性原理計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值構(gòu)建了該材料的原子間相互作用勢(shì),基于現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)果,對(duì)所構(gòu)建勢(shì)函數(shù)的正確性進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證。以L(fǎng)AMMPS軟件為模擬平臺(tái),采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了單軸拉伸載荷作用下晶粒尺寸和溫度對(duì)TiAl合金力學(xué)性能及變形機(jī)制的影響。研究結(jié)果表明:晶粒尺寸<8 nm時(shí),隨著晶粒尺寸的增大,納米多晶TiAl合金的屈服應(yīng)力增大,出現(xiàn)反Hall-Petch現(xiàn)象,此時(shí)主導(dǎo)TiAl合金塑性變形的是晶界遷移和晶粒旋轉(zhuǎn);當(dāng)晶粒尺寸>8nm時(shí),屈服應(yīng)力對(duì)晶粒尺寸的敏感性降低,此時(shí)塑性變形的主導(dǎo)機(jī)制為晶粒內(nèi)部位錯(cuò)滑移和變形孿晶生長(zhǎng)。隨著晶粒尺寸的增加,楊氏模量增大;但隨著... 

【文章來(lái)源】：重慶理工大學(xué)重慶市

【文章頁(yè)數(shù)】：85 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

周期性邊界條件示意圖

重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文10圖2.2球形的固定邊界條件示意圖2.1.4溫度調(diào)節(jié)方法溫度對(duì)體系的原子運(yùn)動(dòng)有著很大的影響，在不同系綜下都需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓溫度保持不變或者按照特定規(guī)律變化。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中經(jīng)常用到的控溫方法有：速度標(biāo)定法、Berendsen熱浴法、Gaussian熱浴法和Nose-Hoover熱浴法等。1）速度標(biāo)定法速度標(biāo)定法[49]通過(guò)引入速度標(biāo)度因子λ，可以使初始溫度為T(mén)的體系達(dá)到期望的研究溫度T0：20T=λT（2.6）20TT=(λ1)T（2.7）0TTλ=（2.8）由上式可知，速度標(biāo)度因子λ乘以某一時(shí)刻原子的速度便可控制體系的溫度。當(dāng)體系的溫度大于預(yù)期溫度時(shí)，λ＜1；反之，λ＞1。這種方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)果清晰、計(jì)算速度快，應(yīng)用十分廣泛。2）Berendsen熱浴法Berendsen熱浴法[50]由Berendsen等人在1987年提出，給定溫度為T(mén)0的恒溫?zé)嵩。瑢⑺芯矿w系（體系溫度T）放入此熱浴中，通過(guò)對(duì)速度的控制使其進(jìn)行溫度交換，保持二者溫度基本一致。201()TTTTtλτ=（2.9）

重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文243.2多晶模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定TiAl合金的晶體結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)10型面心四方（FCT）[23]。本文采用Voronoi構(gòu)造方法[89]建立TiAl多晶的三維模型200（x）×200（y）×200（z），每個(gè)三維模型均包含無(wú)缺陷且無(wú)紋理的隨機(jī)取向晶粒，模型中原子總數(shù)為448305個(gè)。以晶粒尺寸為4nm的模型為例，用可視化軟件OVITO[90]觀(guān)察建立的初始模型如圖3.1所示。為了研究尺寸效應(yīng)，通過(guò)調(diào)整位置和取向隨機(jī)分布的晶粒個(gè)數(shù)建立平均晶粒尺寸分別為2nm、4nm、8nm、12nm、16nm的5個(gè)模型。為了研究溫度對(duì)塑性變形機(jī)制和力學(xué)性能的影響，分別在0K，300K，600K溫度下進(jìn)行單軸拉伸模擬，并對(duì)通過(guò)公共近鄰列表分析技術(shù)（CNA）[91]表征多晶TiAl合金的塑性變形過(guò)程。本文的研究對(duì)象屬于Ti-Al二元體系，因此選擇在研究TiAl金屬間化合物相關(guān)計(jì)算中較常用的Zope等人[92]開(kāi)發(fā)出的EAM嵌入原子勢(shì)，該勢(shì)函數(shù)已廣泛應(yīng)用于TiAl合金的拉伸變形。在三個(gè)方向上均采用周期性邊界條件以更好的模擬三維柱狀樣本。在加載之前先讓模型在NPT系綜下進(jìn)行馳豫，馳豫時(shí)間為6fs，使體系達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。時(shí)間步長(zhǎng)為1fs。隨后對(duì)體系進(jìn)行加載，在y和z方向上保持恒溫和零壓，在x方向上以應(yīng)變率的方式拉伸加載，應(yīng)變率為4×108s-1。在拉伸模擬過(guò)程中，同樣使用NPT系綜，并且保證yz方向上的壓力始終為0以滿(mǎn)足單軸拉伸的條件。模擬過(guò)程中每隔500步記錄動(dòng)能、勢(shì)能、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)參數(shù)，用于后續(xù)分析TiAl合金的力學(xué)性能。拉伸變形過(guò)程中的溫度調(diào)節(jié)選用Nose-Hoover熱浴法[93-94]，壓力控制為Anderson控壓法[95]。最后，用可視化軟件OVITO對(duì)模擬過(guò)程的圖像和動(dòng)畫(huà)進(jìn)行處理。圖3.1平均晶粒尺寸為4nm的TiAl多晶初始模型：（a）晶粒識(shí)別；（b）公共近鄰分析

【參考文獻(xiàn)】：
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