高温高压下液态铁的状态方程

基于高温高压下面心立方(FCC)铁的状态方程和熔化温度实验数据,建立了热力学模型计算FCC铁、固-液混合相、液态铁在高温高压下的状态方程.在相同密度和温度下,计算的FCC铁、固-液混合铁、液态铁的压强与实验测量结果较为一致,且计算结果与实验结果平均偏差分别为-1.61 GPa、1.05 GPa、-0.05 GPa.在0～100 GPa压强范围内,当铁完全发生熔化时,随着压强的增大其密度变化由-7.5%下降至2.7%.     

Fe合金FCC-BCC原子尺度台阶型马氏体相界面迁移行为的分子动力学模拟研究

两相界面的原子尺度结构对相界面迁移行为具有重要影响.高分辨透射电子显微分析表明钢中马氏体相界面具有高度为若干原子层间距的台阶结构,然而目前Fe合金马氏体相变的模拟研究工作中绝大多数使用非台阶型相界面结构作为模拟初始模型.本文基于拓扑模型和相变位错理论构建了Fe合金FCC/BCC台阶型相界面初始模型,采用分子动力学模拟方法研究了Fe合金马氏体相界面的迁移行为.研究结果表明,当两相界面具有约束共格匹配关系及台阶结构时,体系发生FCC→BCC马氏体相变并呈现典型的非扩散切变特征;相变过程中FCC/BCC宏观尺度相界面沿其法线方向以(4.4±0.3)×10~2 m/s的速度迁移,且相界面在迁移过程中始终保持稳定的台阶结构和相对平直的宏观界面形貌特征;相变位错的滑移速度高达(2.8±0.2)×10~3 m/s,相变位错阵列沿台阶面的协同侧向滑移不仅是马氏体台阶结构宏观相界面迁移的微观机制,也是马氏体相变宏观形状应变的主要来源;采用分子动力学模拟方法获得的Fe合金马氏体相变晶体学特征参量与拓扑模型的解析解数值非常接近,相变产生的整体宏观形状应变由平行于相界面的剪切应变和垂直于相界面的法向应变两部分组成.     

钽、铁、钨三种体心立方金属裂纹的多尺度模拟及韧脆性分析

采用多尺度准连续介质法计算模拟了钽、铁、钨三种体心立方(body-centered-cubic,BCC)金属的I型裂纹断裂过程.观察了加载过程中裂纹尖端区域原子的位错、孪晶等塑性变形现象,以及裂纹的脆性开裂和扩展现象.模拟结果表明,不同BCC金属材料的裂纹在相同的加载下有不同韧脆性表现.在一定变形范围内,钽裂纹主要表现出的是裂纹尖端附近区域原子的位错和形变孪晶等塑性变形现象;铁裂纹在变形过程中先后表现出了塑性变形和脆性扩展现象,与实验结果吻合;钨裂纹在变形过程中则主要变现出脆性扩展现象.计算了三种金属材料的广义层错能曲线,得到其不稳定层错能;并分别用两种不同的韧脆性准则,对三种材料断裂模型的韧脆性行为进行分析,计算分析结果与模拟结果一致,从而验证了模拟结果的正确性.     

Ti3Al合金凝固过程晶核形成及演变过程的模拟研究

采用分子动力学方法对Ti₃Al合金的形核机理进行了模拟研究,采用团簇类型指数法(CTIM),对凝固过程不同尺度的原子团簇结构进行了识别和表征,深入研究了临界晶核的形成和长大过程.结果表明,凝固过程体系包含了数万种不同类型的原子团簇结构,但其中22种团簇结构类型对结晶形核过程起关键性作用.在晶核的形成和长大过程,类二十面体(ICO)原子团簇、类BCC原子团簇和缺陷FCC及缺陷HCP原子团簇在3个特征温度点T₁ (1110 K), T₂ (1085 K)和T₃ (1010 K)时达到数量上的饱和,并根据数量和空间分布随温度的变化,得到了它们在形核和长大过程相互竞争的关系.跟踪平行孪生晶粒形成和长大的过程发现,临界晶核是由FCC原子构成的单相结构,并未观察到亚稳BCC相优先形核的过程;平行孪生结构是由FCC单相晶核在沿密排面逐层生长过程中形成的.结果还表明, CTIM相比于其他微观结构表示方法,能更为准确地揭示凝固过程微观结构的转变特征.     

Anisotropic plasticity of nanocrystalline Ti:A molecular dynamics simulation

Using molecular dynamics simulations,the plastic deformation behavior of nanocrytalline Ti has been investigated under tension and compression normal to the{0001},{1010},and{1210}planes.The results indicate that the plastic deformation strongly depends on crystal orientation and loading directions.Under tension normal to basal plane,the deformation mechanism is mainly the grain reorientation and the subsequent deformation twinning.Under compression,the transformation of hexagonal-close packed(HCP)-Ti to face-centered cubic(FCC)-Ti dominates the deformation.When loading is normal to the prismatic planes(both{1010}and{1210}),the deformation mechanism is primarily the phase transformation among HCP,body-centered cubic(BCC),and FCC structures,regardless of loading mode.The orientation relations(OR)of{0001}HCP||{111}FCC and<1210>HCP||<110>FCC,and{1010}HCP||{110}FCC and<0001>HCP||<010>FCC between the HCP and FCC phases have been observed in the present work.For the transformation of HCP→BCC→HCP,the OR is{0001}α1||{110}β||{1010}α2(HCP phase before the critical strain is defined as α1-Ti,BCC phase is defined as β-Ti,and the HCP phase after the critical strain is defined as α2-Ti).Energy evolution during the various loading processes further shows the plastic anisotropy of nanocrystalline Ti is determined by the stacking order of the atoms.The results in the present work will promote the in-depth study of the plastic deformation mechanism of HCP materials.     

相场法研究AlxCuMnNiFe高熵合金富Cu相析出机理

BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能, Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变.本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程,建立Al_xCuMnNiFe高熵合金三维相场模型,模拟了Al_xCuMnNiFe高熵合金(x=0.4, 0.5, 0.6, 0.7)在823 K等温时效时纳米富Cu相的微观演化过程.结果表明, Al_xCuMnNiFe高熵合金时效时会产生两种复杂核壳结构:富Cu核/B2_s壳以及B2_c核/FeMn壳,通过讨论分析发现形成的B2_c对纳米富Cu相的形成起到抑制作用,这种抑制作用随着Al元素的增加而变大;结合经验公式做出Al_xCuMnNiFe高熵合金富Cu相的屈服强度随时效时间的变化曲线,得到峰值屈服强度的时效时间和合金体系,可以为时效工艺提供参考.     

Patchy胶体粒子的结晶、玻璃化和凝胶化问题

本文探讨了中性多缔合位点Patchy胶体粒子系统的相图及其相关问题. 在研究中,计入了分子间的硬芯Lennard-Jones势和缔合作用,进而阐明了系统的流体相(F),无规密积相(RCP)和面心立方相(FCC)之间转变的相态结构. 在体系丰富的相结构中,F-F,F-RCP及F-FCC相转变以及描述粒子间联结性的溶胶-凝胶转变相互影响,致使一些相态在不同相互作用强度时可以呈现亚稳态和稳态. 同时,本文重点阐述了缔合能量以及patch数目对体系的临界温度、临界密度、临界三相点以及溶胶-凝胶转变等的调控机制.     

Patchy胶体粒子的结晶、玻璃化和凝胶化问题（英文）

本文探讨了中性多缔合位点Patchy胶体粒子系统的相图及其相关问题.在研究中,计入了分子间的硬芯Lennard-Jones势和缔合作用,进而阐明了系统的流体相(F),无规密积相(RCP)和面心立方相(FCC)之间转变的相态结构.在体系丰富的相结构中,F-F,FRCP及F-FCC相转变以及描述粒子间联结性的溶胶-凝胶转变相互影响,致使一些相态在不同相互作用强度时可以呈现亚稳态和稳态.同时,本文重点阐述了缔合能量以及patch数目对体系的临界温度、临界密度、临界三相点以及溶胶-凝胶转变等的调控机制.     

TiAl/Ti3Al体系剪切变形的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了正化学比的TiAl/Ti3Al双相体系中剪切变形诱发位错形核以及相关结构转变的动态过程以及切变力场对最终结构的影响.研究发现,在TiAl/Ti3Al双相体系中剪切变形诱发黏滞-滑移式的滑移行为;界面在其中起到了传递能量、均衡协变的作用,界面两侧的异相结构保留了单相形变特征.六角密堆积(HCP)-Ti3Al部分各原子层较长时间内呈整体剪切协变,其后形变分化为应力集中诱发层错区和初始完整结构回复区;而面心立方(FCC)-TiAl部分因刚性较大仅存在微协变,其后局部受力区直接诱发相邻原子层间相对滑移,发生FCC向HCP结构转变.变形结构方面,HCP-Ti3Al部分在剪切力较大区域形成连续且稳定的FCC堆垛,近界面区FCC薄层与HCP相交替并存;而FCC-TiAl部分内禀层错和孪晶共存,当力场增大时形成亚稳HCP结构.     

表面氢对裂纹扩展的影响

暴露于含氢环境的金属表面会吸附氢原子,从而影响材料性能,一定情况下会导致氢脆.这篇文章主要通过分子动力学研究氢从α-Fe自由表面扩散到裂纹面的过程、和表面氢对裂纹扩展的影响.结果表明,在室温下,吸附在表面的氢原子很难直接从自由表面扩散到内部成为溶解氢;自由表面的氢原子会逐步向裂纹表面扩散,最后富集在裂纹表面和自由表面.当表面氢浓度较低时,氢对裂纹扩展影响很小,但是当裂纹表面的氢达到一定浓度时,会导致裂纹失稳扩展,造成严重的氢脆.     

不同衬底条件下石墨烯结构形核过程的晶体相场法研究

利用可描述气-固转变的三模晶体相场模型,在原子尺度上研究了不同衬底条件下石墨烯结构的形核过程.结果表明:无论衬底存在与否,气态原子均是先聚集为无定形过渡态团簇,随着气态原子的不断堆积和固相团簇中原子位置的不断调整,过渡态团簇逐渐转变为有序的石墨烯晶核,在此过程中,五元环结构具有重要的过渡作用;石墨烯在结构匹配较好的衬底(如面心立方(face-centered cubic,FCC)结构(111)和(110))上生长时,可形成几乎没有结构缺陷单晶石墨烯岛;在无衬底或结构匹配性较差的衬底(如FCC结构(100)面)上生长时,形成的石墨烯岛结构缺陷和晶界较多,不利于高质量石墨烯的制备.     

改进型FCC晶格材料设计与吸能特性

基于金属微观晶体结构,设计了一种改进型面心立方(FCC)晶格材料。利用ABAQUS有限元软件,对体心立方(BCC)及FCC晶格材料进行了准静态与速度为10~100 m/s的动态加载数值模拟,定量分析了两种晶格材料的能量吸收性能,给出了动态加载下晶格材料压缩平台应力及塑性能量耗散的半经验公式。结果表明:在准静态压缩载荷下,相同相对密度的FCC晶格比BCC晶格具有更优异的能量吸收性能,当相对密度为10.5%~10.6%时,FCC晶格材料的归一化比吸能是BCC晶格材料的2.6倍。此外,与常见负泊松比材料及大部分桁架晶格材料相比,相同相对密度的FCC晶格材料具有更高的比刚度、能量吸收效率及压缩力效率。     

钽过冷液体等温晶化的原子层面机制

采用分子动力学模拟研究了钽(Ta)过冷液体的等温晶化过程,并用双体分布函数g(r)和最大标准团簇等方法表征和分析了体系的微结构演化特性.结果表明, Ta过冷液体的晶化过程敏感地依赖于过冷度,临界晶核形成孕育时间随过冷度的增加而减小. 1800 K≤T≤1850 K, Ta过冷液体的晶化遵循Ostwald的分步规则:过冷液体中首先形成大量由Z12和Z14团簇铰链的中程序(即Z-MRO);随后Z-MRO长大并有序化为A15晶体相;最后体心立方(BCC)晶核在A15相内部快速长大成BCC晶体.而在1900 K≤T≤1950 K,过冷液体直接向A15相转变. A15相由最大尺寸的Z-MRO不断兼并周围小尺寸的Z-MRO并有序化形成.     

冲击压缩下金属钯的结构相变

钯作为典型高压标定材料,研究其在极端条件下的结构变化以及热力学性质具有广泛需求并充满了挑战,特别是冲击加载下钯的固-固相变过程研究仍然匮乏.本文基于嵌入原子势,使用经典分子动力学方法从原子角度揭示了冲击载荷加载下钯的结构相变路径,在0—375 GPa的压力区间观察到一系列复杂的结构转变特征,从初始的面心立方(FCC)结构,至带密排六方(HCP)结构的层错体心立方(BCC)结构,直至完全熔化.在沿<100>晶向冲击下,在70.0 GPa发现了FCC-BCC相变过程,远低于之前研究中静高压的结果.此外,还发现了冲击方向依赖的相变点,在沿着<110>及<111>晶向冲击时FCC-BCC相变压力分别增加至135.8和165.4 GPa,同时相比完美晶体,引入缺陷会使FCC-BCC相变压强值有20—30 GPa的增幅,并通过势能分布的分析予以验证.本文发现冲击加载下钯的FCC-BCC相变压力大大降低的特殊现象,为钯在高压实验等极端条件下的应用提供了新的理论认识.     

金属线膨胀系数、德拜温度和杨氏模量之间关联特性

利用解析势能函数研究了FCC,HCP及BCC共19种金属的线膨胀系数、德拜温度和杨氏模量等之间的关联性,给出了金属的德拜温度和杨氏模量的解析计算式,其理论计算值与实验值符合较好.     

晶粒尺寸对纳米多晶铁变形机制影响的模拟研究

利用分子动力学模拟方法研究了拉伸荷载作用下晶粒尺寸对纳米多晶铁变形机制的影响.研究结果表明杨氏模量随着晶粒尺寸的减小而减小.当晶粒尺寸小于15.50 nm时,纳米多晶铁的峰值应力和晶粒尺寸之间遵循反常的Hall-Petch关系,此时晶粒旋转和晶界迁移是其塑性变形的主要变形机制;随着晶粒尺寸的增大,变形孪晶和位错滑移在其塑性变形过程中逐渐占据主导地位.裂纹的形成是导致大晶粒尺寸模型力学性能降低的主要因素.纳米多晶铁在塑性变形中会出现孪晶界的迁移和退孪晶现象.此外还研究了温度对纳米多晶铁变形机制的影响.     

纳米多晶铁的冲击相变研究

利用分子动力学方法研究了不同晶粒度的纳米多晶铁在冲击压缩下的结构相变过程,模拟结果表明:纳米多晶铁的冲击结构相变(由体心立方(bcc)结构 α 相到六角密排(hcp)结构 ε 相)发生的临界冲击应力在15 GPa左右.纳米多晶铁在经过弹性压缩变形后,晶界导致的塑性变形开始发生,然后大多数相变从晶界成核并最终发展为大规模相变.不同变形过程在应力和粒子速度剖面上能得到清晰的体现,并通过微观原子结构分析分辨.冲击压缩后的微观结构以晶界原子和以fcc结构原子充当孪晶界的hcp原子为主.晶粒度明显影响晶界变形及相变 关键词： 冲击相变 纳米多晶铁 冲击波 分子动力学     

预应力对多晶铁冲击行为影响的微观模拟研究

冲击加载铁动力学响应是当前冲击波领域金属材料塑性和相变行为研究最为关注的焦点之一.本文采用分子动力学模拟方法开展预应力作用下冲击加载多晶铁的动力学行为研究.模拟结果表明,随着预应力的增加,导致弹塑转变应力(Hugoniot弹性极限)和冲击波速度提高,符合已有的理论分析结果.微观晶体结构表征则发现较大的预应力导致剪应力大于屈服应力,塑性弛豫时间缩短,加快多晶铁α→ε相转变.进一步通过与平面及柱壳纯铁冲击加载获得的自由面速度剖面对比分析,证实了模拟结果.     

核磁共振弛豫速率方法测定模拟正铁色素的结构

在生命体系内正铁色素具有摄铁和输铁的功能,人工合成的模拟化合物具备了正铁色素的主要功能基团和相近的性质.本工作利用铁(Ⅲ)离子的顺磁性质,测定不同铁(Ⅲ)离子浓度下模拟正铁色素的诱导弛豫时间,根据简化了的Solomon-Bloemoergen公式,计算出铁(Ⅲ)离子到所有被测质子(即氢原子)的相对距离,比较清楚地得到模拟正铁色素在溶液中的构象.     

TiAl/Ti3Al体系剪切变形的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了正化学比的TiAl/Ti₃Al双相体系中剪切变形诱发位错形核以及相关结构转变的动态过程以及切变力场对最终结构的影响.研究发现,在TiAl/Ti₃Al双相体系中剪切变形诱发黏滞-滑移式的滑移行为;界面在其中起到了传递能量、均衡协变的作用,界面两侧的异相结构保留了单相形变特征.六角密堆积（HCP）-Ti₃Al部分各原子层较长时间内呈整体剪切协变,其后形变分化为应力集中诱发层错区和初始完整结构回复区;而面心立方（FCC）-TiAl部分因刚性较大仅存在微协变,其后局部受力区直接诱发相邻原子层间相对滑移,发生FCC向HCP结构转变.变形结构方面,HCP-Ti₃Al部分在剪切力较大区域形成连续且稳定的FCC堆垛,近界面区FCC薄层与HCP相交替并存;而FCC-TiAl部分内禀层错和孪晶共存,当力场增大时形成亚稳HCP结构. 关键词： 3Al')" href="#">TiAl/Ti₃Al 分子动力学模拟 剪切变形 层错结构