单晶γ-TiAl中孔洞位置对裂纹扩展影响的分子动力学模拟.pdfVIP

文章编号:１ ００ １-９ ７ ３ １(２０ １ ６)０６-０ ６ １ ３ ６-０ ６ 单晶γ-TiAl 中孔洞位置对裂纹扩展影响的分子动力学模拟∗ 罗德春 １,２,芮执元 １,２,曹 卉 １,２,陈文科 １,剡昌锋 １,２ (１．兰州理工大学 机电工程学院,兰州 ７ ３００５０; ２．兰州理工大学 数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,兰州 ７ ３００５０) 摘 要: 运用分子动力学方法对单晶γ-TiAl 合金的裂纹扩展过程进行了研究,分析了不同孔洞位置对裂纹扩 展的影响,得到相应的原子轨迹、能量演化以及应力-应变关系.结果表明无孔洞时,裂纹以脆性解理方式快速扩 展至材料断裂,能量曲线只有一个波峰;L＝１．６ nm 时裂纹先以脆性解理的方式扩展,孔洞抑制裂纹扩展,孔洞周 围发射位错,裂纹以尖端空洞形核、长大成微裂纹,最终微裂纹与主裂纹连接的方式扩展,能量曲线有多个峰值;L ＝４．８ nm 时,裂纹初始扩展过程与 L＝１．６ nm 时相似,后期未出现空洞形核、长大成微裂纹并与主裂纹结合的现 象;另外孔洞距裂尖距离不同,发射第一个位错的方向不同. 关键词: γ-TiAl 合金;分子动力学;位错;裂纹扩展;能量 中图分类号: TG１４６;O７７;TG１３ １ 文献标识码:A DOI:１ ０．３９ ６ ９/j．issn．１００ １-９ ７ ３ １．２０１ ６．０６．０２４ ０ 引 言 随着航空航天工业的发展,轻质、高温结构材料成 为研究者们关注的重点,而 TiAl 基合金作为新型结构 材料其中之一,目前主要用于发动机用高压压缩机叶 片、高压涡轮叶片、低压涡轮、过度导管梁、排气阀、喷 嘴等[１].γ-TiAl 具有低密度、高比刚度、高温强度、良 好的阻燃能力和抗氧化性等优点使其得到广泛应 用[２-４].γ-TiAl 合金在制造和使用过程中本身存在的 缺陷(例如微裂纹、孔洞等)对裂纹扩展过程存在显著 影响,这些缺陷的进一步演化将造成材料的失效和破 坏,因此,应当掌握这些缺陷的演化过程、机理以及缺 陷之间的相互影响.分子动力学方法作为一种计算机 模拟技术被国内外学者广泛采用,它能从微观层次通 过原子间的相互作用力研究材料的变形和断裂过程. 分子动力学的基本思想是在一定条件下,通过原子之 间的相互作用势,求出每个原子所受的力,建立粒子系 统的牛顿运动方程,利用数值方法求出每个时刻原子 的位置和速度,进而得到粒子系统在相空间中随时间 演化的轨迹,最后对计算结果进行长时间的统计平均, 从而得到需要的宏观物理量.目前,已有大量学者用 分子动力学方法从微观尺度研究裂纹和孔洞的演化过 程.刘晓波等[５]用分子动力方法研究了铝的裂纹扩展 过程,发现加载速率和初始裂纹长度影响体系拉开的 时间.Wu 等[６]采用分子动力学方法研究了不同温度 下单晶镍中预置裂纹扩展时,裂纹尖端的应力分布和 微观结构演化,发现温度不同,裂纹以不同的形式扩 展.郭鹏等[７]用分子动力学方法研究了单晶硅预制裂 纹的扩展过程,发现低温时裂尖形成环状结构,温度逐 渐升高时出现母-子裂纹传播机制.Tang 等[８]用分子 动力学模拟了γ-TiAl 单晶的空洞开裂过程,发现空洞 开裂的原因,试件尺寸、空洞体积分数和应变影响初始 屈服强度的大小.Li 等[９]用分子动力学方法对裂纹 尖端存在孔洞的单晶纳米铜的单轴拉伸过程进行了模 拟,发现孔洞直径影响原子错排和裂尖钝化,单周加载 引起了更多位错滑移的出现,且裂纹分支沿着孔洞的 位置扩展的趋势更明显.刘光勇等[１０]用分子动力学 模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为,通 过与无孔纳米单晶铜块体弹性能的比较,发现小孔使 纳米单晶铜的弹性模量显著下降,位错滑移为其主要 变形机制. 以上研究单独对裂纹和孔洞两种缺陷进行了分子 动力模拟,研究了缺陷的演变过程,对两种缺陷之间的 相互影响关系鲜有研究,而在实际材料中不止存在一 种缺陷,往往是多种缺陷共存,缺陷之间也会产生影 响,因此不仅要对每种缺陷进行研究,也要对缺陷之间 的相互影响进行研究,才能更好的解释材料失效和破 坏的机理.孔洞的不同形状对裂纹的扩展过程也会有 影响,本文采用圆形孔洞,用分子动力学方法对γ- TiAl 合金裂纹扩展过程和机理的研究尚不多见,而研 究两种缺陷相互影响的文章就更少了. 针对以上研究的不足,本文在γ-TiAl 单晶模型中 预制了裂纹和孔洞两种缺陷,用分子动力学方法从微 观尺度研究了不同孔洞位置对裂纹扩展的影响. ６３１６０ ２０ １ ６ 年第 ６ 期(４７)卷 ∗ 基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１０６ ５０ １ ４);甘肃省自然科学基金资助项目(１４８RJZA００８);甘肃省高等学校科研资助 项目(２０１４A-０３ ３) 收到初稿日期:２０ １ ５-１