单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究单晶γ-TiAl合金纳米切削过程,通过对单晶γ-TiAl合金的建模、计算和分析,讨论了不同切削深度和切削速度对切削过程的影响,结果发现:在切削过程中,随着切削深度的增大,切屑体积逐渐增大,切屑中原子排列越来越紧密,位错密度也会随之增大;但随着切削速度的增大,位错密度反而会随之降低。在一定的切削深度和切削速度范围内,切削过程中刀具前方都会产生"V"型位错环,工件的温度和势能也都会相应的增大。特别是,当切削速度为400 m/s时,刀具前方的切削表面上未出现原子错排。     

晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削的影响研究

为了研究晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的影响,采用分子动力学数值方法对不同切削晶向下的切削力、切削温度、材料去除及晶格结构变化进行分析和探讨,揭示不同的晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削质量作用机制.结果表明:在纳米切削过程中,随着晶面和晶向的变化,切削力、切削温度、材料去除和晶格结构都会有不同程度的变...     

双磨粒微切削单晶γ-TiAl合金的材料去除机制

为了分析磨削过程中单晶γ-TiAl合金的材料去除机制,建立了双磨粒磨削Ti-Al合金的分子动力学模型.揭示了金刚石磨粒的横向间距和纵向间距对单晶γ-TiAl合金材料去除机制的影响.结果表明:单晶γ-TiAl合金的微切削过程中伴随有温度、势能、位错的变化以及晶格结构的转变;切削力、切削温度、势能以及去除效率随着横向间距的...     

纳米单晶γ-TiAl合金应变率效应的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟不同应变率下纳米单晶γ-TiAl合金中裂纹的扩展,利用速度加载方式对预置裂纹的单晶γ-TiAl合金进行动态单向拉伸,模拟过程中施加应变率为5.0*10₇S_-1~7.5*10₉ S_-1。研究结果表明：不同的应变率范围下裂纹的扩展形式差异很大。在不敏感区(≤4*10₈S_-1),裂纹呈解理扩展;在敏感区(4.0*10₈S_-1＜应变率≤1.0*10₉S_-1),前期呈现解理扩展特征,后期裂纹扩展通过裂尖发射滑移位错,位错塞积萌生空洞,空洞形核长大形成子裂纹,应变率≤5.0*108 S_-1时,子裂纹发生偏向,与主裂纹呈45度方向串接,5.0*10₈ S_-1＜应变率≤1.0*10₉S_-1时,子裂纹与主裂纹同向串接,最终导致裂纹扩展直至断裂;在突变区(≥1.0*10₉ S_-1),因应变强化作用使裂纹不在应力最大时刻启裂,出现裂纹扩展后应力持续增加一段时间后减小的现象,高应变率导致裂尖前端多处区域的原子结构局部非晶化,最终在原子结构混乱处萌生微裂纹,微裂纹扩展导致“试件”多处开裂。     

重复纳米切削对γ-TiAl合金表面质量及亚表面损伤的影响

本文运用分子动力学方法对单晶γ-TiAl合金重复纳米切削过程进行了模拟,研究了重复纳米切削过程中的切削力和微观组织缺陷演化,分析了已加工表面的粗糙度和残余应力,讨论了重复纳米切削和单次切削之间的差异。结果表明：重复纳米切削伴随着位错的形成和湮灭,第二次切削过程中的位错线长度波动小于第一次切削,切削状态更稳定;加工初始阶段的切削力迅速增大,随后切削力进入稳定加工阶段。同时发现,第二次切削的切削力小于第一次切削的切削力;二次切削后,残余应力分布更加均匀,且刀具的二次挤压作用使得加工表面层残余压应力增大;二次切削加工可以提高表面质量和降低亚表面损伤,而残余压应力的增大及加工所需能量的增加降低了已加工表面的可塑性,使得第三次切削加工对二者没有明显改善。     

γ-TiAl合金纳米切削过程中随机表面粗糙度影响的原子模拟

采用分子动力学模拟方法研究了随机粗糙度对γ-TiAl合金纳米尺度切削的影响。为了模拟真实工件表面,在考虑刀具不同前角和切削深度的情况下,采用多参数的Weierstrass-Mandelbrot（W-M）函数生成随机表面粗糙度,用工件的等效高度来量化切削深度。结果表明,粗糙度对工件的纳米切削有不可忽视的影响。此外,粗糙度的影响在不同切削参数的情况下也不同。     

单晶γ-TiAl中孔洞尺寸对裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究单晶γ-Ti Al合金的裂纹扩展行为,模拟时采用嵌入原子势方法,结合原子轨迹图、能量演化图以及应力-应变曲线,分析不同孔洞尺寸对裂纹扩展过程的影响。结果表明:随着孔洞半径增大,裂纹的启裂应力值减小;裂纹与孔洞结合后,R=0.4001 nm时,孔洞变形后在孔洞边界的中心产生裂纹,沿[100]方向扩展至材料断裂,裂纹扩展中出现子母裂纹传播现象;R=0.8002 nm时,孔洞变形后在一角处产生裂纹,沿[100]方向扩展至材料断裂;R=1.2003 nm时,孔洞变形后在两个角处产生裂纹,沿[110]和[110]方向扩展,[110]方向裂纹扩展中出现子母裂纹传播现象,且边界产生子裂纹并与该方向裂纹汇合后扩展至材料断裂;此外孔洞抑制裂纹扩展。     

加工参数对单晶γ-TiAl表面质量和亚表层损伤的影响机理

为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理,以分子动力学（molecular dynamics, MD）为基础理论,采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型,通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位错演化、相变原子数,详细分析不同切削速度和切削深度对表面和亚表面结构的影响。结果发现:随着切削速度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,且存在切削速度为100 m/s的临界值。表面粗糙度先减小后增大,同样存在切削速度为100 m/s的临界值。位错的复杂程度降低,位错密度减小,塑性变形程度增加;随着切削深度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,表面粗糙度、位错密度以及塑性变形程度显著增加。在切削过程中,发现位错主要分布在刀具前方和下方,在刀具前方45°方向存在V形位错和梯杆位错以及位错间的相互反应,且切削完成后残留下空位和原子团簇等稳定缺陷。      

γ-TiAl合金叶片锻造过程的三维有限元模拟

选取经挤压比为12的双相γ-TiAl合金棒材,通过Gleeble等温热压缩实验获取温度为900～1100℃、应变速率为0.01～1s-1之间的流变应力数据,并得出其本构关系。通过有限元方法对γ-TiAl合金叶片的锻造过程进行模拟。结果表明,预热温度和模锻速度对应变场的大小及分布影响很小,而对温度场和应变速率场大小及分布均有影响。     

不同空位浓度γ-TiAl合金剪切过程分子动力学模拟

利用分子动力学分析了不同空位浓度的Al空位和Ti空位对γ-TiAl合金剪切力学性能的影响,重点研究了含空位γ-TiAl合金的温度效应。结果表明,随着空位浓度增加,弹性模量没有太大变化,但剪切强度逐渐减小,且含Al空位γ-TiAl合金的剪切强度要高于含Ti空位γ-TiAl合金。在剪切过程中,材料偏向于离边界更近处的空位处形成位错源,进而向材料内部发射位错,并且出现了类似于宏观材料的颈缩现象。进一步分析了温度对空位浓度为0.5%的γ-TiAl合金剪切强度的影响,发现随着温度的增加,γ-TiAl合金剪切强度总体呈下降趋势。     

晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度.结果表明:当晶粒尺寸小于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hal...     

刀具磨损对单晶铝纳米切削过程的影响

基于分子动力学的理论建立了单晶铝的纳米切削仿真模型,比较研究了在刀具未磨损和刀具磨损条件下对切削过程的影响。研究表明：相比于刀具未磨损,在刀具磨损的情况下,已加工表面质量有所下降,基体上出现了大量的位错等缺陷;切削力也全部有所升高,其中刃口半径磨损对切削力影响最为显著,在相同的切削条件,相比于刀具未磨损升高约为17.78%,后刀面磨损和前刀面磨损对切削力的影响基本相同,提高了约7.98%;刀具温度和工件的温度也都有不同程度的升高,其中,工件的温升更高。刀具刃口半径磨损对温升影响最大,达到稳定切削时,刀具的平均温度相比于刀具未磨损升高约为7.2%。     

γ-TiAl合金的空蚀行为

利用超声振动空蚀试验设备研究了具有单相γ-TiAl组织的Ti-50Al合金的空蚀行为，借助于SEM分析了其空蚀表面，并用洛氏硬度仪模拟空蚀过程中微射流所产生的局部载荷对Ti-50Al合金的作用，测量了其在加载过程中的变形能。结果表明：Ti-50Al合金具有优异的抗空蚀性能，空蚀26h后的累积体积损失量仅为0．926mm^3。该合金优异的抗空蚀性能归因于其在局部载荷作用下有较高的变形能和加工硬化能力。Ti-50Al合金的空蚀是由于晶界阻碍变形,造成应力集中，使裂纹沿晶界形成，导致材料沿晶剥落。     

晶粒尺寸对γ-TiAl力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响

在本文,通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸模型,其主要分析不同的切削深度对工件拉伸性能的影响。一方面,详细的研究了晶格转变和微观缺陷演化之间的关系;另一方面,系统的探讨了不同的切削深度对应力-应变曲线、位错形核位置和工件断口位置的影响。研究结果表明：在纳米切削阶段,晶格转变的数量会随着切削深度的增加而增多并且与微观缺陷演化具有一致性。在一定的切削深度范围内工件的屈服应力和弹性模量会相应的提高。另外,切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大影响,经过加工的工件位错形核于工件的亚表面,而未经过加工的位错形核于工件的边界处,工件的断口位置随着切削深度的增加越靠近拉伸端。     

γ-TiAl合金铣削加工表面粗糙度研究

γ-TiAl合金因具有良好的高温物理和力学性能而广泛应用于航空航天、汽车等领域。通过γ-TiAl合金铣削加工正交试验,分析了切削参数对加工表面粗糙度的影响规律。研究表明:γ-TiAl合金铣削加工表面粗糙度的重要影响因素为背吃刀量和每齿进给量,其次是切削速度;切削速度、背吃刀量、每齿进给量之间的两两交互作用对表面粗糙度的影响不显著;表面粗糙度随着背吃刀量和每齿进给量的增加而增大,随着切削速度的增加先增大后减小。利用偏最小二乘回归法建立了基于切削参数的表面粗糙度的数学预测模型,通过模型的相关性分析以及F检验,验证了该模型具有较好的精度,能够满足表面粗糙度的一般性预测要求。在此次试验条件下获得最小表面粗糙度的切削参数为切削速度v_c=40 m/min、每齿进给量f_z=0.005 mm/z和背吃刀量a_p=0.05 mm。     

孔洞对双晶TiAl合金断裂行为影响的声发射响应

本文基于分子动力学方法,对含孔洞的双晶TiAl合金试样进行了单轴拉伸模拟,在纳米尺度下研究了材料变形和断裂过程中的缺陷演化行为及其声发射响应。研究发现：孔洞大小和位置对材料的弹性模量影响较小,屈服强度随孔洞尺寸的增大而降低;进入塑性变形后,孪晶界对孔洞边缘连续发射的位错有阻碍作用,使晶体强度增加;达到屈服应力时,含晶界孔洞的试样更容易产生稳定的位错结构,阻碍其他位错运动,从而提高了晶体强度;通过对拉伸过程中的声发射信号进行分析,发现声发射信号主要来源于晶格振动,并且具有较大的功率值范围和较低的中值频率;位错滑移的声发射信号表现出宽频域的特点,位错增殖和位错塞积的声发射信号表现出低功率的特点;裂纹扩展的声发射信号属于突发型信号,表现为高频率、高功率的特征。     

单晶Cu材料纳米切削特性的分子动力学模拟

建立了单晶Cu纳米切削的三维分子动力学模型,研究了不同切削厚度下纳米切削过程中工件缺陷结构和应力分布的规律.纳米切削过程中,在刀具的前方和下方形成变形区并伴随缺陷的产生,缺陷以堆垛层错和部分位错为主.在纳米尺度下,工件存在很大的表面应力,随着切削的进行,工件变形区主要受压应力作用,已加工表面主要受拉应力作用.随着位错在晶体中产生、繁殖及相互作用,工件先后经过弹性变形——塑性变形——加工硬化——完全屈服4个变形阶段,随后进入新的循环变形.结果表明:工件应力-位移曲线呈周期性变化;切削厚度较小时,工件内部没有明显的层错产生,随着切削厚度的增大,工件表面和亚表层缺陷增加;切削厚度越大,对应应力分量值越小.     

γ-TiAl合金自身及其与高温合金的钎焊技术研究进展与趋势

γ-Ti Al合金是航空航天领域极具应用前景的轻质高强、耐高温结构材料,实现γ-Ti Al合金自身及其与高温合金的高质量钎焊连接,对于促进其工程化应用具有重要意义。分别从钎料的润湿性以及钎料种类(Ti基、Ag基、Al基)、工艺参数对接头组织性能的影响等方面,综述了国内外的研究进展。存在的主要问题是缺少γ-Ti Al合金专用的高温钎料、界面反应的控制机制以及接头综合性能的评价标准等。今后针对γ-Ti Al合金的钎焊连接,应包括以下5个重点研究方向:高温钎料成分设计;接头组织和性能的推演、预测方法;连接界面冶金行为的深入研究;连接界面组织调控机制;接头综合性能的考核与评价标准。     

真空自耗电弧熔炼γ-TiAl合金铸锭凝固组织模拟

采用CAFE模型对真空自耗电弧熔炼γ-TiA1合金铸锭凝固组织进行了数值模拟,在CAFE模型中分别采用高斯分布连续形核模型和扩展KGT模型描述晶粒形核和枝晶尖端生长速率.研究了熔炼速率、界面传热系数和形核参数对铸锭凝固组织的影响.结果表明,增大熔炼速率或者增大最大形核密度,均有利于促进等轴晶形成,抑制柱状晶晶粒长大;增大平均形核过冷度或者增大界面传热系数,均有利于促进柱状晶的形成和晶粒长大;标准方差过冷度对铸锭凝固组织几乎没有影响.