应力诱发NiAl单晶马氏体相变的分子动力学模拟

利用嵌入原子势（EAM）,对NiAl单晶在外应力作用下的动态拉伸过程进行了分子动力学模拟.应力-应变曲线分析以及原子构型分析表明外应力诱发NiAl合金发生了马氏体相变,原子结构由B2相转变为L1₀相.通过研究原子构型的演化过程,发现马氏体相变是通过多个{110}孪晶面的扩展和湮灭作用来完成的.同时探讨了马氏体相变的微观机理. 关键词： 马氏体相变 NiAl 分子动力学模拟     

基于多尺度分析的FCC金属应变率敏感性研究

 采用位错理论和分子动力学模拟研究了金属原子性质对其宏观应变率敏感性的影响。依据位错运动的Orowan关系,认为金属中位错速度对应力的依赖关系是此研究的关键,并分析提出研究金属原子性质与应变率敏感性关系的分析方法。构建了一个中等规模的二维分子动力学模型,应用此模型对单个位错在FCC金属中的运动进行模拟。综合位错理论分析和分子动力学模拟结果得出结论：影响金属应变率敏感性的原子性质是其原子量而不是其原子势。依据此结论分析得到的FCC金属应变率敏感性排序与试验结果相符。     

温度对镍基单晶高温合金γ/γ'相界面上错配位错运动影响的分子动力学研究

用分子动力学方法研究了温度对镍基单晶高温合金γ/γ'相界面上错配位错运动的影响.研究结果表明:无论是在低温还是在高温下,错配位错的运动都是通过扭折的形核及扭折沿位错线的迁移来实现;在低温时错配位错的相互作用有利于错配位错的运动;然而在高温时错配位错的相互作用可以阻碍错配位错的运动,从而阻碍γ和γ'相界面的相对滑动,有利于提高镍基单晶高温合金的高温力学性能. 关键词： 镍基单晶高温合金 相界面 错配位错 分子动力学模拟     

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     

动态压缩下马氏体相变力学性质的微观研究

使用分子动力学方法,模拟了活塞以恒定加速运动从一端压缩单晶铁（沿［001］晶向）发生马氏体相变的微观过程.根据模拟结果将上述压缩过程分为弹性压缩、晶格软化、相变（bcc至hcp）、超应力松弛和高压相弹性压缩五个阶段,对各阶段的原子滑移规律和应力变化特征做了详细分析.分析得出应力超过约10 GPa时,开始出现弹性常数软化行为;层错结构（fcc）和孪晶界为新相形核的两种缺陷,前者更为稳定;相变后粒子首先进入超应力松弛状态（即沿加载方向的偏应力呈现负值）,在应力超过约36 GPa粒子转变为高压相弹性压缩状态. 关键词： 分子动力学 单晶铁 相变 动态压缩     

镍基单晶高温合金γ/γ′（001）相界面上原子构型的分子动力学研究

用分子动力学方法研究了镍基单晶高温合金γ/γ′（001）相界面上三种各具特征的原子堆垛结构. 能量学计算发现，存在最优构型，动力学模拟显示不同构型的界面弛豫后，在相界面上都“成对”出现刃型错配位错. 相关计算表明体系能量、界面形成能及弛豫能都依赖于界面原子堆垛特征，而几何特征则具共性，即不同原子构型的界面具有同一的应力释放模式.     

镍基单晶高温合金γ/γ′（001）相界面上原子构型的分子动力学研究

用分子动力学方法研究了镍基单晶高温合金γ/γ′（001）相界面上三种各具特征的原子堆垛结构. 能量学计算发现，存在最优构型，动力学模拟显示不同构型的界面弛豫后，在相界面上都“成对”出现刃型错配位错. 相关计算表明体系能量、界面形成能及弛豫能都依赖于界面原子堆垛特征，而几何特征则具共性，即不同原子构型的界面具有同一的应力释放模式.     

Ni4Ti3沉淀相对NiTi形状记忆合金相变行为的影响

采用第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法,建立了共格沉淀相与半共格沉淀相块状/柱状模型,模拟了温度诱发相变和应力诱发相变,分析了Ni₄Ti₃沉淀相对Ni Ti形状记忆合金相变行为的影响．结果表明,Ni₄Ti₃沉淀相本征应变诱发的弹性应力场对相变中马氏体变体类型、形核位置、分布等有重要影响.在温度诱发相变时,共格沉淀相促进部分马氏体变体的形核生长,能显著提高Ni Ti超弹性形状记忆合金的马氏体相变开始温度;在应力诱发相变时,Ni₄Ti₃沉淀相使马氏体早于无沉淀相区域形核,导致了相变应力降低、抑制了马氏体解孪,减小了应力-应变曲线的滞回环.     

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.     

单轴应变条件下Fe从α到ε结构相变机制的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了沿［001］方向单轴应变条件下Fe从体心立方结构(bcc,α相)到六角密排结构(hcp,ε相)相变的临界压力、相变路径、相变势垒以及相变过程中原子磁性的变化.结果发现:单轴应变条件下Fe从α到ε结构的相变路径与以前理论计算模拟给出的静水压力条件下的相变路径明显不同;原子磁矩沿着相变路径突然降低,同时伴随着能量和体积的突然变化,是典型的一阶磁性相转变,表明原子磁性的丧失导致了bcc结构不稳定而向hcp结构转变.对单轴应变下吉布斯自由能的计算表明,相变势垒随着单轴应 关键词： 相变 单轴应变 第一性原理 铁     

氢原子对非对称Σ5晶界α-铁力学性能影响的模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了在单轴拉伸载荷下,界面旋转角度和氢原子浓度对含有非对称倾斜Σ5晶界的双晶α-铁力学性能的影响.研究结果表明,双晶体的塑性变形主要是通过原始BCC相转变为亚稳态FCC相,再进而转变成新BCC相的过程来实现的,且该变形机制不依赖于氢原子的浓度.氢原子的引入使得双晶α-铁在塑性变形过程中,BCC-FCC的相变更容易发生,但在塑性变形后期氢原子阻碍了FCC相向BCC相的转变.此外,双晶α-铁的峰值应力随着氢浓度的增加而减小.     

有限温度下位错环的脱体现象

在FCC单晶铜中构造了滑移面为（111）,伯格矢量为b=［112］/6的圆形不完全位错环．采用分子动力学方法模拟了该位错环在0—350 K温度区间内的自收缩过程．模拟结果发现：零温度下,位错不能跨越Peierls-Nabarro势垒运动,迁移速度为0;50　K温度下,螺型和刃型位错具有基本相同的迁移速度;随温度增加,刃型位错具有较大迁移速度;温度较高时,位错核宽度进一步增加;小位错环周围的局部应力,引起4个脱体位错环;脱体位错环在原位错的应力作用下逐渐生长,原位错消失后,在自相 关键词： 单晶铜 位错环 分子动力学 位错源     

镍基单晶高温合金相界面错配位错网络的演化

运用分子动力学方法,研究了镍基单晶高温合金γ/γ′相界面错配位错网络的特征.通过对界面位错的形成、位错的反应、位错网络的演化等现象的分析发现,在温度场影响下,位错网络将由弛豫初期的十四面体演化成最终的正六面体. 关键词： 镍基单晶高温合金 相界面错配位错 位错网络演化 分子动力学     

原位中子衍射研究两相NiTi合金的微力学相互作用和相变机理

NiTi合金的形状记忆效应与其微观结构特征密切相关,中子衍射技术可以在力学加载过程中原位观察块体NiTi合金的相变、晶间应变以及孪晶再取向等演化特征．结合两相NiTi合金宏观应力一应变曲线呈现的四种阶段性变形特征,利用原位中子衍射技术对其变形过程中的微观结构演化进行了分析．奥氏体初始体积份额约22％,在低应变硬化阶段,晶面（110）B2和（002）B19,的应变分别突然减小和增大表明出现了应力诱发马氏体相变,奥氏体体积份额迅速减小,产生了（011）II型孪晶;同时初始马氏体也开始发生再取向,随着应变量的增加,开始出现新的{20i}型马氏体孪晶,这种孪晶引起的应变卸载时不能回复．在高应变硬化阶段孪晶变形起主导作用,衍射峰半高宽变化较小;而在应变硬化饱和阶段则以滑移机制为主,大量位错的产生使衍射峰半高宽显著增加．     

Ni2MnGa单晶马氏体相变过程摩擦耗能的热动力学计算

根据相界面摩擦原理，在推导出计算Ni₂MnGa系统热动力学参量的一般表示式的基础上，结合马氏体相变温度分别在室温以下、室温附近、室温以上三种非正配分比Ni₂MnGa单晶自发相变应变和交流磁化率随温度变化的测量结果，计算了三种样品马氏体相变过程中界面摩擦所消耗的能量.结果进一步表明正是相变过程中的界面摩擦导致了相变的热滞后，而三种样品马氏体相变过程的摩擦耗能和相变热滞后存在较大差别的原因在于三种样品马氏体相变生成物具有不同的结构. 关键词： 马氏体相变 应变 界面摩擦     

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.     

单晶钨纳米线拉伸变形机理的分子动力学研究

利用分子动力学方法, 对本课题组率先采用金属催化的气相合成法制备出的高纯度单晶钨纳米线进行拉伸变形数值模拟, 通过分析拉伸应力-应变全曲线及其微观变形结构, 揭示出单晶钨纳米线的拉伸变形特征及微观破坏机理. 结果表明: 单晶钨纳米线的应力-应变全曲线可分为弹性阶段、损伤阶段、相变阶段、强化阶段、 破坏阶段等五个阶段, 其中相变是单晶钨纳米线材料强化的重要原因; 首次应力突降是由于局部原子产生了位错、孪生等不可逆变化所致; 第二次应力突降是发生相变的材料得到强化后, 当局部原子再次产生位错导致原子晶格结构彻底破坏而形成裂口、且裂口不断发展成颈缩区时, 材料最终失去承载能力而断裂. 计算模拟得到的单晶钨纳米线弹性模量值与实测值符合较好. 关键词： 分子动力学 应力应变曲线 微观机理 单晶钨纳米线     

基于连续介质位错理论的位错原子分布构造方法

基于连续介质位错理论提出一种新的位错原子分布构造方式,理论上可以构造出任意形状和任意Burgers矢量的位错结构.利用该方法,选用FCC单晶铜为模拟介质,构造Burgers矢量为b=[110]/2的刃型全位错和Burgers矢量为b=[112]/6圆环形不完全位错环,并使用分子动力学方法模拟全位错的扩展分解过程和不全位错环在自应力作用下的收缩过程,模拟结果与理论分析一致.该方法的优点在于可以方便地构造出其他传统方法难以构造的位错闭合结构——位错环,从而使位错环的细致研究成为可能.     

一维应变加载下单晶铁结构转变的微观研究

采用嵌入原子势和分子动力学方法,模拟了单晶铁在一维应变条件下由体心立方（bcc）转变为六角密排（hcp）结构的微观过程. 当应变加载至相变临界值时,hcp相开始均匀形核并沿{011}晶面长大为薄片状体系.弹性常数C₃₁和C₃₂在相变前被逐渐硬化,C₃₃则在相变前出现软化行为;当体系完全相变后,上述各弹性常数显示开始随体积压缩而迅速硬化,温度效应对晶格具有软化作用,可削弱C₃₃的硬化和软化过程;样品在压缩过程可出现孪晶结构,孪晶结构使晶格发生剪切变形.混合相中,hcp相势能比bcc相高,最大剪应力方向与bcc相反向;系统的偏应力与hcp相质量分数近似呈线性关系. 关键词： 结构转变 分子动力学 一维应变     

第一性原理研究合金元素对逆变奥氏体在Cu沉淀上异质形核的影响

超高强度马氏体钢的力学性能强烈依赖于逆变奥氏体的形状、尺寸及含量.通常,提高逆变奥氏体含量,有助于改善超高强度钢的塑韧性.对含Cu马氏体淬火钢时效处理时, Cu粒子会在马氏体组织边界沉淀,并作为质点促进逆变奥氏体形核.为了探索不同合金元素对逆变奥氏体在Cu沉淀上异质形核的影响,本文利用第一性原理方法研究了合金元素X (X=Cr, Al, Mo, W, Ni, Co, Mn)对Cu/γ-Fe界面性质的影响,并分析了合金原子替换界面处Cu和Fe原子前后界面的黏附功、界面能和电子结构.研究结果表明,合金元素Cr,Mo, W, Mn替换Cu/γ-Fe界面处Cu原子时, Cu/γ-Fe界面处产生强烈的X—Fe共价键,黏附功增大且界面能减小,显著提高界面稳定性,促进γ-Fe在Cu沉淀上异质形核.而替换界面处Fe原子时,界面稳定性变化很小,掺杂原子与相邻的其他原子成键较弱.