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金属材料形变与强化机制的分子动力学研究

金属材料形变与强化机制的分子动力学研究. 力学学会青年学术沙龙. 郭雅芳. 2006-9-27. 北京交通大学工程力学研究所. 裂尖形变机制的分子动力学模拟. 位错 形核和运动 ( 韧脆转变 ) 形变 孪晶 相变 和新晶粒形核 原子 - 连续模型的尺寸行为. Fe. NiAl. 镍基单晶高温合金沉淀强化机制研究. 界面微结构 (MD) 蠕变和筏化机制 (MD+FE+…) 形状 和 尺寸 以及 体积分数 的影响 ; 纳米尺寸效应行为 (MD+FE+CM+… MMM ). 铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟.

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金属材料形变与强化机制的分子动力学研究

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  1. 金属材料形变与强化机制的分子动力学研究 力学学会青年学术沙龙 郭雅芳 2006-9-27 北京交通大学工程力学研究所

  2. 裂尖形变机制的分子动力学模拟 • 位错形核和运动 ( 韧脆转变 ) • 形变孪晶 • 相变和新晶粒形核 • 原子-连续模型的尺寸行为 Fe NiAl 镍基单晶高温合金沉淀强化机制研究 • 界面微结构 (MD) • 蠕变和筏化机制 (MD+FE+…) • 形状和尺寸以及体积分数的影响; 纳米尺寸效应行为(MD+FE+CM+…MMM)

  3. 铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟 金属材料强度和裂纹扩展行为与裂尖变形机制及微结构演化过程密切相关 • 位错形核和运动 • 形变孪晶 • 相变和新晶粒形核

  4. MD Abraham et al., PNAS

  5. Brittle fracture in bcc-iron Stacking fault (SF) Anisotropy for cleavage fracture KI=1.6KIC (a) {010} <101>, KI=1.11KIC (b) {110} <101>, KI=1.27KIC (c) {110} <001>, KI=1.49KIC (d) {010} <001>, KI=1.9KIC Twinning 0.1KIC/300步 0.1KIC/800步 0.1KIC/4000步

  6. Brittle to ductile transition 5K 100K KI=2.2KIC 200K 300K *Guo Y-F, Wang C-Y, Zhao D-L. Mater Sci Eng A, 2003,349(1-2):29 *Y-F Guo, C-Y Wang, Y-S Wang. Phil. Mag. Lett, 2004, 84(12):763 断裂理论基础, 范天佑著,科学出版社,2003,p360-366

  7. 铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟 裂尖相变 相变和新晶粒 形核及生长机制 对裂纹扩展 影响 A:{100} <110> ; B:{110} <110> ; C:{111} <110>

  8. procedure different loads Get initial cracks according to continuum mechanics different types of crack Plane strain condition Relax the crack by MD F-S N-body potential fixed-displacement boundary condition Observe the structure evolution of the crack tip 4000 steps 5×10-15s bcc-Iron 37nm-37nm Length of crack: 3.7nm

  9. Initial crack Anisotropic linear elastic continuum theory Displacement field u

  10. Crack tip field for plane strain condition G.C. Sih, H. Liebowitz (ed.), in Fracture: An Advanced Treatise (vol.2), Academic, New York, 1968, p67.

  11. Structure evolution of the crack tip for different types of cracks A:{100} <110> crack B:{110} <110> crack C:{111} <110> crack KI = 1.9 KIC • the stress-induced phase transformation or recrystallisation can only occurs at KI〉1.8 KIC

  12. bcc-hcp B: {110} <110> crack partial dislocations emission on successive planes C: {111} <110> crack

  13. 90 steps 110 steps 140 steps B: {110} <110> crack 40 steps 80 steps 140 steps C: {111} <110> crack

  14. Phase transformation a: 2.8665 Å to 2.733 Å b: 4.0525 Å to 4.7336 Å bcc hcp

  15. new grain nucleated with a different orientation from the original bcc crystal (90) • boundary between the twin strip and the new grain is a <110> symmetrical tilt boundary with the rotation angle of 70.5 A: {100} <110> crack

  16. New grain nucleation and 20 steps 60 steps 140 steps • new grain grows with the growth of two twin regions, and the lengths of the new grain inanddirections are always equal to the thickness of the twin region

  17. Distribution of shear stress A: {100} <110> crack B: {110} <110> crack B A C symmetric C: {111} <110> crack unsymmetric

  18. 铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟 • 裂尖孪晶形成和新晶粒形核是低温裂尖变形的两种主要方式；新晶粒形成包括相变和非相变两种形式。伴随裂尖结构演化过程，裂尖应力集中得到松弛。 • 裂尖相变过程中新相为hcp结构。由于hcp结构能量高于bcc结构能量 (0.11eV/atom)，相变过程只能在外载很高时才能发生。 • 界面结构 • 相变机制 • 裂纹沿裂尖新晶粒晶界扩展 Y-F Guo, Y-S Wang, D-L Zhao. Acta Materialia (in press)

  19. Phase transformation in NiAl B2 {110} crack plane is the only cleavage plane in B2 NiAl (MD, experiments)

  20. B2-L10 {100} <001> crack {110} <001> crack

  21. {110} <110> crack {100} <110> crack

  22. 原子-连续模型研究断裂问题时的 尺寸相关行为 裂尖应力奇异性

  23. {010}〈100〉裂纹 原子弛豫对位移场的影响 垂直于裂纹表面方向：UY，UX随距离r变化曲线 垂直于裂纹表面方向：dy，dx随距离r变化曲线

  24. 原子区尺寸对裂尖场弛豫结果的影响 • 如果所取原子区尺寸大于裂尖非线性区半径，体系大小对于弛豫结果没有明显影响

  25. 裂纹类型对裂尖场弛豫结果的影响 {010}〈101〉裂纹

  26. 原子区尺寸对裂尖区能量分布及裂纹扩展长度的影响原子区尺寸对裂尖区能量分布及裂纹扩展长度的影响 KI= 1.6KIC；LY为原子区在Y方向长度

  27. 原子区尺寸对裂尖结构演化的影响 LY=29Å KI=1.2KIC KI=1.6KIC KI=1.9KIC LY=57Å KI=1.2KIC KI=1.6KIC KI=1.9KIC LY=140Å KI=1.1KIC KI=1.6KIC KI=1.9KIC

  28. 原子区尺寸对裂尖结构演化的影响 KI= 1.9KIC (a)LY=140Å；(b)LY=280Å；(c)LY=360Å Y-F Guo, Y-C Gao. Computational Materials Science, 2006, 36:432-439.

  29. 结论 • 原子弛豫对原子位置影响较大的区域在距离裂尖约100 Å的范围之内, 原子弛豫后的裂尖离散区半径约为100 Å • 如果原子区直径大于300Å，可以运用固定位移边界条件有效模拟bcc-Fe中裂纹的低温脆性解理扩展行为 • 连续模型在小于300Å （30nm）的范围内不再适用 模型 本征 原子尺度应力

  30. 移动边界技术 • 固定位移边界只能保证边界区位移连续，不能保证边界应力连续 • 用原子-连续模型模拟裂纹稳态扩展： • 运用应力边界条件 • 运用固定位移边界条件时采用移动边界技术 虚线为移动前的边界，实线为移动后的边界；a为扩展前裂纹长度，a´为裂尖移动后的长度

  31. 裂纹稳态扩展 初始载荷1.2KIC 每弛豫500步根据裂尖移动的距离更新边界 （a）加载500步后的裂尖组态 （b）弛豫4000步后的裂尖组态 KI = 1.4KIC • 载荷达到1.4KIC后可以观察到裂纹稳态扩展

  32. 镍基单晶高温合金沉淀强化机制研究 强化相 • 软 (基体相γ) + 硬 ( 沉淀相γ/ ) • 无晶界(相界;共格性好) • 纳米尺寸效应行为 结构特点

  33. 固溶强化 强化机制 γ/数量 (70％或更高) 、尺寸 (0.3-0.5μm ) 、 形状 (立方) ，及本身的固溶强化程度等 沉淀强化 筏化现象 γ/ 在高温施加应力条件下，特别是1100K以上，γ•沉淀相会发生定向粗化形成筏状，这种筏化行为直接影响了镍基高温合金的蠕变疲劳寿命，并且断裂面通常沿筏化方向发生 (外应力的幅值和方向、晶格错配度、弹性常数差)

  34. 界面微结构(MD); 蠕变和筏化机制 (MD+FE+…) • 形状和尺寸以及体积分数的影响; 纳米尺寸效应行为(MD+FE+CM+…MMM) 研究兴趣 Size? Temperature? Stress?

  35. tensile stress of 300Mpa the critical external tensile stress of about 180Mpa is required for bowing a creep dislocation in the horizontal matrix channel at 950℃ W-P Wu，Y-F Guo, Y-S Wang.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(accepted)

  36. 高玉臣 感谢王崇愚院士、 院士、范天佑教授、汪越胜教授等的指导和帮助！ 感谢国家重大基础科学研究‘973’、国家自然科学基金的支持！ THANKS FOR YOUR ATTENTION!

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