单晶镍拉伸行为的分子动力学仿真

为了研究单晶镍的拉伸行为,采用LAMMPS分子动力学软件模拟分析了拉伸温度(300、 600和900 K)、晶向([100]、[110]、[111])以及孔洞的缺陷数量(0、 1、 3)和直径(0.2a、 0.4a、 0.6a)对单晶镍拉伸行为的影响规律。结果表明:拉伸温度和晶向影响单晶镍的塑性变形方式,而孔洞的缺陷数量和直径影响单晶镍的力学性能。随着拉伸温度的增加,单晶镍的塑性变形方式由相变和层错为主转变为单一的层错变形方式;在[100]晶向上,单晶镍的塑性变形方式以相变和层错为主,而在[110]和[111]晶向上,则以层错为主;与孔洞缺陷数量相比,孔洞缺陷直径对单晶镍的力学性能影响较大,孔洞缺陷的存在致使单晶镍主要以层错形式发生塑性变形,且层错沿与拉伸方向成45°或135°的方向扩展。     

孔洞形态对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究不同形态孔洞缺陷对单晶镍基合金蠕变性能的影响,针对合金中存在有/无裂纹孔洞等铸造缺陷,对高温蠕变期间近有/无孔洞区域的应力分布进行有限元分析,根据拉应力载荷下近孔洞区域的微观应力分布特性,分析不同形态孔洞区域应力分布对单晶合金蠕变行为及组织演化的影响.结果表明:在高温蠕变期间,近有/无裂纹孔洞区域的应力分布对合金中)γ'相筏形化的形态有明显影响,在有/无裂纹孔洞两侧极点处,存在最大应力值,且可致使其裂纹沿垂直于应力轴方向发生萌生与扩展;与无裂纹孔洞相比,在有裂纹孔洞两侧的极点处应力值较大,随着蠕变的进行,在较大应力处易于发生裂纹的扩展是合金具有较低蠕变寿命的主要原因.     

单晶/多晶镍复合体剪切过程分子动力学模拟

采用整体叶盘技术将不同性能指标的单晶镍涡轮叶片和多晶镍盘片连接为一个整体,然而却带来盘叶连接区断裂失效问题,严重制约了该技术的发展。为此,本文采用分子动力学研究单晶/多晶镍复合体的剪切性能。首先讨论了不同晶态镍的剪切性能,然后重点研究了单晶/多晶镍复合体的剪切速率效应与温度效应。结果表明:相比于单晶镍,由于多晶镍的加入,单晶/多晶镍复合体的整体剪切应力水平有所下降,其剪切强度显著小于单晶镍的剪切强度。不同晶态镍剪切变形进入塑性阶段后,出现类似于宏观材料颈缩的现象,靠近颈缩区的原子发生局部错动、重排以及部分非晶化。随着剪切速率的增加,单晶/多晶镍复合体的剪切模量逐渐增大。随着温度升高,单晶/多晶镍复合体剪切模量却呈现下降趋势。     

单晶合金中孔洞对蠕变行为的影响

通过对有/无缺陷单晶镍基合金蠕变性能测试、组织形貌观察及采用有限元对近孔洞区域的应力场分析,研究了组织缺陷对单晶合金蠕变行为及组织演化的影响。结果表明:组织缺陷可明显降低单晶镍基合金的塑性和蠕变寿命。在高温蠕变期间,近孔洞区域的应力等值线具有碟形分布特征,并沿与施加应力轴成45°角方向有较大值,该应力分布特征可使合金中γ′相转变成与施加应力轴成45°角的筏状结构,并使圆形孔洞沿应力轴方向伸长成椭圆状。蠕变期间,在合金圆形孔洞缺陷的上、下区域具有较小的应力值,而在圆形孔洞的两侧极点处具有最大应力值,随蠕变时间延长,应力值增大,促使裂纹在该处萌生,并沿垂直于应力轴方向扩展是降低合金蠕变寿命的主要原因。     

脉冲电流频率对预制缺陷TC4钛合金性能的影响

为了研究脉冲电流频率对预制缺陷TC4钛合金组织性能的影响规律,首先采用室温预拉伸制备含孔洞缺陷的TC4试样,然后选取不同频率的脉冲电流对预制缺陷的TC4试样进行通电处理,对比通电前后板材内部的显微孔洞和基体组织的变化情况,并对处理后的试样进行二次室温拉伸获得力学性能参数。结果表明：当脉冲电流频率从0升至140Hz时,TC4内部孔洞体积分数由2.21%下降至0.86%,屈服强度由916.7MPa提高到990.9MPa,抗拉强度由951.2MPa增加至997.5MPa,延伸率提高64.86%;当脉冲电流频率从140Hz提高到160Hz时,内部孔洞体积分数反而增至1.99%,屈服强度和抗拉强度则分别下降到975.1MPa和988.5MPa,延伸率降低了37.70%。显微孔洞体积分数几乎决定了预制缺陷TC4钛合金的力学性能。     

单晶/多晶镍拉伸力学性能的分子动力学模拟

为了提高航空发动机推重比,采用整体叶盘新技术却带来了盘叶连接区域高风险失效问题,采用分子动力学对盘叶连接区单晶/多晶镍(SPSNi)的拉伸力学性能进行模拟。首先对比了不同晶态镍拉伸力学性能,发现由于单晶/多晶界面的存在使得拉伸后界面处的非晶化程度加剧,易于萌生孔洞,加剧了SPSNi突然断裂的风险。最后重点研究了SPSNi的应变速率效应与温度效应。当应变速率1*10~8 s~(-1)e2*10~(10) s~(-1)时,SPSNi对加载应变速率几乎不敏感,抗拉强度σ_b小幅上升。超过2*10~(10) s~(-1)之后,抗拉强度σb随着应变速率的增加而迅速下降。这是因为在高应变速率下,SPSNi的fcc原子大规模且迅速转变为无序的非晶结构,导致了SPSNi承载能力迅速下降,可以将应变速率2*10~(10)s~(-1)作为SPSNi抗拉强度的阈值。SPSNi的抗拉强度σ_b随温度的升高而线性下降。这是由于在温度的影响下,塑性变形阶段SPSNi界面失配位错网络的初始镶嵌结构逐渐变得不规则,初始失配应力随着温度的升高而下降。     

TC6合金拉伸孔洞的形成机制

本文采用TEM、SEM研究了经不同热处理的TC6钛合金拉伸变形滑移特性和孔洞的形成。滑移从晶界、晶界α和魏氏α中开始。马氏体组织的孔洞发生在晶界;具有魏氏组织加晶界α的孔洞在晶界α与β相无取向关系的一侧和α/β相界面形成。拉伸孔洞的形成是位错滑移受阻机制。     

含孔洞的Al2Cu单轴拉伸的分子动力学模拟

建立含孔洞的Al₂Cu分子动力学模拟模型,采用嵌入原子法模拟Al₂Cu模型在常温、恒定工程应变速率的拉伸环境下孔洞大小、数量及孔洞分布对Al₂Cu力学性能的影响。研究结果表明：孔洞的出现使模型内部出现了自由表面并在孔洞内边缘产生了应力集中,从而大大降低材料的抗拉强度以及变形能力;孔洞增大,Al₂Cu的塑性和抗拉强度均明显下降;不同孔洞数量对应的应力应变曲线在弹性变形阶段基本重合,孔洞增多,Al₂Cu的塑性以及抗拉强度都有不同程度的下降;改变孔洞分布,孔洞连线方向与拉伸方向的夹角越小,Al₂Cu表现出越强的塑性和抗拉强度。     

热诱导孔洞对FGH97高温合金性能的影响

利用金相设备和力学性能测试装置检测含不同孔隙率的FGH 97高温合金的组织及力学性能，分析不同孔隙率对FGH97高温合金力学性能的影响。结果表明:随着孔隙率的增加，FGH97高温合金的室温屈服强度和抗拉强度降低，延伸率下降；Charpy冲击功随着孔隙率增加而显著下降；FGH97高温合金的拉伸和冲击断裂机制为微孔聚集型断裂，拉伸和冲击断口呈现大量韧窝特征；热诱导孔洞会促进裂纹的萌生和扩展。     

孔洞式缺陷对γ-TiAl合金断裂行为的影响

采用分子动力学模拟方法研究了孔洞在不同温度、位置以及尺寸下对多晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响。结果表明,含孔洞式缺陷多晶γ-TiAl合金在1～750 K时为脆性解理断裂,1000 K和1200 K为韧性蠕变断裂。孔洞位于晶界和三叉晶界上时,合金更容易失效。与完美晶体相比,微孔洞的存在增加了多晶γ-TiAl合金的塑性。当孔洞半径大于1.0 nm时,多晶γ-TiAl合金的屈服应力和屈服应变急剧降低,材料发生失效的时间提前。孔洞尺寸的不同会影响材料的断裂方式,当孔洞半径R≤0.8 nm时,含孔洞多晶发生沿晶断裂;当R>0.8 nm时,多晶γ-TiAl合金的孔洞不断扩大逐步占满整个晶粒,发生穿晶断裂。     

Ni/Ni3Al拉伸力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Ni/Ni_3Al的拉伸力学性能。首先模拟了在室温、恒定应变速率环境下γ′强化相的含量对Ni/Ni_3Al拉伸力学性能的影响,重点研究了具有3种典型特征的γ′强化相含量的Ni/Ni_3Al微观组织演化。研究结果表明:相比于单晶Ni,γ′强化相可以提高Ni/Ni_3Al的抗拉强度。这是因为在塑性变形过程中,随着位错的不断增殖,位错密度逐渐增大,导致位错塞积,增大了位错运动的阻力,提高了抗拉强度。接着研究了温度对Ni/Ni_3Al拉伸力学性能的影响,发现Ni/10%Ni3Al(体积分数,下同)的抗拉强度随着温度的升高呈下降趋势。这是因为随着温度的升高,原子动能增大,导致原子热运动更剧烈,原子间的结合力更弱,脱离平衡位置的原子来不及回到平衡位置,fcc结构转变为大量的hcp结构和其他无序原子排列结构,导致晶格畸变,降低了抗拉强度。最后研究了应变速率对Ni/Ni_3Al的拉伸力学性能的影响,结果表明,抗拉强度对低应变速率不敏感,对高应变速率敏感。     

热型连铸单晶金属的制备与拉伸特性研究

采用自制的热型连铸设备,制备出了直径为12mm的单晶铜、单晶铝、单晶锌棒材;对三种棒材的拉伸特性进行了测试、分析,并与多晶铜、多晶铝线材进行了对比.试验结果表明,热型连铸的单晶金属比多晶金属的拉伸性能大大提高.单晶铝比多晶铝伸长率提高了156.12％,断面收缩率提高了578.36％.单晶铜比多晶铜伸长率提高了131.75％,断面收缩率提高了353.34％.单晶锌的抗拉强度只有7 MPa,伸长率为13.29％.从应力-应变曲线可以得出:单晶铝、单晶铜的加工硬化倾向较小,单晶锌则具有明显的加工硬化倾向.     

含孔洞缺陷的单晶镍拉伸行为：孔洞生长和聚集机理

利用分子动力学模拟研究了孔洞中心形成平面与加载方向的夹角（θ）对单晶镍在单轴拉伸下孔洞生长和聚集行为的影响及机理。结果表明：单晶镍的屈服应力和平均流动应力随着夹角θ的增加而下降，应力下降速率随着夹角θ的增加而加快。当夹角θ=90°时（加载方向垂直于孔洞中心平面时），单晶镍中孔洞独立生长时间最短且孔洞之间最先发生聚集，导致其最易进入软化阶段，这是由于夹角θ=90°时，单晶镍中最快的孔洞体积分数增长速率和损伤演化速率。当夹角θ=90°时，单晶镍中1/6<112>(Shockley)位错长度的显著降低，以及fcc晶体结构的原子数目向Other和hcp晶体结构的最大转变速率，导致θ=90°时单晶镍的损伤演化速率最快且损伤程度最剧烈。值得注意的是，当θ=90°时单晶镍中孔洞最易聚集是由于该条件下孔洞表面受到更大的拉应力作用。通过该工作，旨在揭示金属材料在高应变率下的孔洞聚集行为及机理，并对揭示其软化行为和断裂机理提供了理论指导。     

微量Ni对Sn/Cu界面组织形貌及柯氏孔洞形成的影响

通过对反应界面微观组织形貌的表征分析,系统研究了热老化条件下微量Ni元素对Snx Ni/Cu(x的质量分数为0,0.05%,0.10%)的界面组织形貌演变及柯肯达尔孔洞形成的影响。结果表明,相对于Sn/Cu界面,添加的Ni元素大幅加速了Snx Ni/Cu界面(Cu,Ni)_6Sn_5层的生长,但显著阻缓了(Cu,Ni)_3Sn层的形成,有效抑制了柯肯达尔孔洞的形成。(Cu,Ni)_6Sn_5层由多层细小晶粒组成,这种多晶界结构有利于界面组分元素的互扩散,可缓解Cu和Sn的不平衡扩散;薄的(Cu,Ni)_3Sn层限制了孔洞的形成空间,从而进一步抑制孔洞的形成。     

热型连铸单晶铝的力学性能的研究

对直径为4 mm的热型连铸铝单晶线材的室温拉伸性能和循环弯曲性能进行了测试,并对其断口微观形貌进行了观察。结果表明:与多晶铝试样相比,热型连铸单晶铝屈服强度变化不大,抗拉强度降低了42.7%,伸长率和断面收缩率分别提高了111.5%和575%;弯曲疲劳寿命明显提高;单晶铝的断口呈扁尖状,断口附近滑移线相互平行且均匀分布,为典型的韧窝结构。     

AM50镁合金真空压铸件孔洞分布与力学性能的关系

孔洞缺陷是压铸件力学性能预测中的重要因素.工艺条件在影响金属液充型凝固过程的同时,也对压铸件内部的孔洞尺寸、孔洞数量及分布情况产生影响,并导致力学性能变化.研究压铸件内部孔洞分布的特征及其对力学性能的影响规律,有助于理解压铸件组织和性能的内在联系,亦对研究真空压铸以及常规压铸工艺参数对压铸件力学性能的影响规律有所帮助.结合镁合金压铸件的缺陷带理论,应用超声扫描显微镜采集孔洞缺陷数据,对AM50镁合金真空压铸阶梯试样的孔洞分布进行统计分析,通过孔洞分布特征确定缺陷带的深度位置,研究缺陷带附近的孔隙率与压铸件力学性能的关系.     

La含量对渗铝层/基体界面孔洞生长的影响

采用热浸镀铝的方法在20碳钢上分别制备了不同La含量的热浸镀铝涂层,通过高温氧化试验以及测量孔洞平均直径和形核数量随氧化时间的变化,研究了La含量对渗铝层/基体界面孔洞生长的影响规律.结果表明,渗铝层/基体界面孔洞的生长可划分为快速生长和稳定生长两阶段.在快速生长阶段,当La含量小于0.5wt%时,随La含量的增加,渗铝层/基体界面孔洞的生长速度逐渐减小;当La含量大于0.5wt%时,随La含量的增加,界面孔洞的生长速度逐渐增大.在稳定生长阶段,渗铝层/基体界面孔洞的生长速度随La含量的变化规律与热浸镀铝后合金层厚度随La含量的变化规律相吻合.分析了La含量对渗铝层/基体界面孔洞生长的影响机理.     

基于分子动力学研究孔隙率对FeO/Fe界面裂纹扩展的影响

孔隙率是影响氧化皮与钢基体界面裂纹扩展的重要因素,采用分子动力学模拟软件LAMMPS建立模型Ⅰ(定孔缺陷数量模型)和模型Ⅱ(定孔缺陷尺寸模型)两种模型,从抗拉强度、中心对称分析(CSP)以及界面局部应力分布3个方面研究了孔隙率对于界面裂纹扩展的影响。结果表明,相同孔隙率下,模型Ⅱ比模型Ⅰ的抗拉强度低,表明孔缺陷分布范围比孔缺陷的尺寸对于材料的抗拉强度影响更大。同时裂纹扩展时动态不稳定性导致裂纹非对称性扩展,孔隙率的增加会阻碍应力增长和裂纹扩展速度,增强裂纹扩展的不对称性。当孔隙率达到9%时,在界面裂纹扩展后,模型Ⅰ+x方向裂尖偏转界面上方孔缺陷,模型Ⅱ则为界面裂纹扩展后,上方孔缺陷融合发展。     

拉伸载荷下α-Ti孔洞生长的机制研究

本文利用分子动力学方法,对含有预置微裂纹α-Ti模型施加不同方向拉伸载荷,通过观察模型内孔洞及位错的变化情况,揭示了孔洞生长的机制与初始缺陷对材料吸收能量在不同划分区域的规律。研究发现：当拉伸载荷沿着垂直于密排面的[0001]方向时,预置裂纹愈合,α-Ti会从HCP晶格转换为FCC晶格,从而使晶体中的位错种类更多、密度更大、能量吸收率更高;当拉伸载荷沿着[12-30]方向拉伸时,位错种类主要为1/3[1-210]类型,裂纹则生长为一定尺寸的孔洞,孔洞与滑移带对模型体系吸收能量区域有划分作用,转换的晶格主要为非晶结构,滑移带方向取决于材料晶格,位置取决于初始裂纹;α-Ti沿[0001]晶向拉伸后模型明显颈缩,裂纹缺陷空位被两侧团簇占据,α-Ti沿[0001]晶向拉伸比沿[12-30]方向拉伸时拥有更好的塑性和延展性。     

25Cr2Ni4MoV钢锻造过程孔洞缺陷愈合规律研究

实测了核电转子用25Cr2Ni4MoV钢的高温应力应变曲线和热物性参数,基于ABAQUS软件建立了锻造过程孔洞闭合的有限元模型,模拟了不同温度和变形量下的孔洞闭合行为.研究发现,典型的孔洞闭合过程分为3个阶段,即闭合速率减小-增加-再次减小.模拟结果表明,900—1200℃时孔洞几乎在同一压下率(约25%)下闭合,即孔洞闭合对变形温度不敏感.在模拟结果的基础上,进一步设计了孔洞闭合后焊合过程的物理模拟实验,研究了恒应变速率(0.01s~(-1))下压下率(25%-45%)和变形温度(900-1200℃)对闭合孔洞焊合过程的影响.焊合界面的拉伸实验结果表明,较高的温度和闭合后持续的塑性变形能极大地促进闭合界面的焊合,当变形温度大于1000℃,压下率为35%时,闭合界面结合强度可达基体强度,孔洞实现完全焊合;当温度降至900℃时,孔洞需45%的压下率才能完全焊合.最后,基于拉伸断口的形貌,对影响孔洞焊合的因素进行了讨论.