铌对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展影响的分子动力学模拟

为了研究微观尺度下铌元素对单晶γ-TiAl裂纹扩展过程的影响,运用分子动力学方法,建立γ-TiAl合金的晶体结构模型,模拟边缘裂纹扩展的过程,得到了裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,分析了铌元素对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示了铌元素对裂纹扩展的影响。研究结果表明:加入铌元素后,在相同的应变率条件下,试件的断裂时间延长,能量变化曲线有两个波峰并且出现明显的上下波动的现象;随着应变增加,应力先增大后逐渐减小;裂纹扩展缓慢,形成的断面不平滑,而且裂纹扩展的形态也发生变化。     

温度对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响的分子动力学模拟

用分子动力学方法从原子尺度对单晶γ-TiAl合金中心裂纹的扩展机理进行了研究,模拟了不同温度下预制中心裂纹的扩展过程。结果表明:随着温度升高,裂纹的启裂时间变长,启裂应力值分别为5.64GPa、4.58GPa和4.27GPa;裂尖和边界发射的位错数目随温度的升高而增多;温度为300K时,裂纹先脆性扩展,出现分枝后,裂纹通过裂尖发射位错向前扩展,扩展过程为塑性扩展;温度达750K时裂纹出现分枝,扩展过程为塑性扩展,此时的裂纹扩展速率慢于300K时的裂纹扩展速率;950K时裂纹没有出现分枝,扩展过程为塑性扩展且扩展速率最快;三种温度下裂纹扩展过程均出现裂尖钝化与偏折现象。     

加载速率对单晶γ-TiAl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微观尺度下单晶γ-TiAl裂纹的扩展过程,运用嵌入原子势进行模拟,得到裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,比较分析不同加载速率对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示对裂纹扩展的影响。研究表明:随着加载速率的增大,体系的原子运动加剧,总能量上升到峰值的剧烈程度增加,试件断裂的时间缩短,所需的应变越小,而裂纹扩展的形态没有变化;总能量随时间的演化曲线只出现一个峰值。应力-应变曲线中只有弹性阶段,没有塑性阶段,加载速率对拉升过程的弹性变形机理没有影响。     

裂纹位置对含铌γ-TiAl合金裂纹扩展影响的分子动力学模拟

为了研究微观尺度下裂纹相对位置对3%铌含量的单晶γ-TiAl合金裂纹扩展过程的影响,运用分子动力学方法,建立γ-TiAl合金的晶体结构模型,模拟边界裂纹和中心裂纹扩展的过程,得到了裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,分析了裂纹位置对3%铌含量的单晶γ-TiAl合金能量和应力-应变关系的影响,进而揭示了裂纹位置对裂纹扩展的影响。研究结果表明:中心裂纹的γ-TiAl合金在其拉伸初始阶段,受力并不集中,随后由于原子键的断裂形成了孔洞,孔洞部位抑制裂纹的扩展,因此裂纹要继续扩展需要克服更大的阻力。裂纹在中心位置和边界位置对γ-TiAl合金产生的力学影响不同,边界裂纹对材料产生断裂的危害性更大。     

单晶γ-TiAl合金微观滑移机制的研究

针对单晶γ-TiAl合金微观滑移机制方面研究的不足,建立了单晶γ-TiAl合金单轴拉伸时晶体滑移几何模型,根据几何模型中各夹角之间的几何关系和由Weiss晶带法则给出的滑移方向,计算出了单滑移系中各个滑移方向上的Schmid因子;通过对比计算结果发现在设定条件下晶体更易产生滑移的方向为(001)[01-1]和(11-1)[110];在由主滑移系和交滑移系组成的双滑移系同时开动时,计算出了临界外加拉伸应变为0.633;通过数值模拟验证了所给出的单晶γ-TiAl合金单轴拉伸时的微观滑移机制的正确性。     

单晶硅预制初裂纹扩展行为的分子动力学研究

采用基于Stillinger-Weber作用势的分子动力学方法研究了单晶硅预制初裂纹前缘方向分别为[100]、[110]、[111]晶向的裂纹扩展行为.模拟结果表明:低温时裂纹尖端形成新的环状结构,温度逐渐升高后,出现母-子裂纹传播机制,裂纹前缘方向为[111]晶向的初裂纹扩展呈现出明显的取向效应.     

挤压开坯γ-TiAl合金的热变形行为研究

采用Gleeble-1500试验机对经过挤压比为12开坯后的γ-TiAl合金在温度为900～1100℃、应变速率为0.01～1s<'-1>、变形量为70%等温恒应变速率下的热变形行为进行了研究,获得了变形条件范围内的流变应力数据,并利用Ze-ner-Hollomn参数和Arrhenius方程得出γ-TiAl合金的本构方...     

热暴露对γ-TiAl合金表面缺陷损伤容限的影响

研究了热暴露(700℃,10 000 h)对高强度全片层γ-Ti Al合金Ti-44Al-4Nb-4Hf-0.2Si-1B表面缺陷损伤容限的影响,采用扫描电子显微镜研究了热暴露导致γ-Ti Al合金的显微组织变化,并将之与在交变载荷下的表面短裂纹行为和长裂纹扩展行为联系起来.研究发现,在热暴露后,该合金的疲劳强度提高,且长疲劳裂纹启裂门槛值改善,但热暴露导致该合金短裂纹效应的尺寸范围明显增大.采用Kitagawa-Takahashi线图的形式总结和分析了实验结果,分析了热暴露引起的疲劳强化、疲劳失效的非安全短裂纹的尺寸变化以及长裂纹的启裂门槛值的变化,定量确定了热暴露对表面缺陷的损伤容限.长期热暴露所导致的材料内部应力释放、偏聚缓解、缺陷钝化显著影响裂纹尖端的应力状态,更有利于增大长裂纹的启裂抗力并减缓长裂纹的扩展速率.     

切削深度对单晶γ-TiAl合金亚表面缺陷及残余应力的影响

本工作采用分子动力学方法模拟了单晶γ-TiAl合金在不同切削深度下的切削过程,分析了不同切削深度下微观缺陷演化及稳定切削后的内应力演变,研究了切削后残余应力和von Mises应力等在不同切削深度下的分布规律,讨论了不同切削深度下位错和层错等微观缺陷演化及内应力演变之间的关系.结果表明:位错反应及层错演化随着切削深度的增加越来越剧烈,位错反应对Lomer-Cottrell位错的形成影响较大;刀具挤压工件表面形成的残余压应力受层错演化及位错反应的影响,位错反应的剧烈程度影响内应力的大小,且残余压应力存在于亚表面下的一定深度内;同时发现切削深度的变化对von Mises应力的影响较小.     

单晶γ-TiAl中孔洞位置对裂纹扩展影响的分子动力学模拟

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=1.6nm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=4.8nm时,裂纹初始扩展过程与L=1.6nm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。     

7075T73510合金断裂韧性和疲劳裂纹扩展

研究了７０７５Ｔ７３５１０合金的断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为，分析不同方向性能差异的原因。结果表明：合金的断裂韧性依赖于取向。Ｌ－Ｔ方向的断裂韧性值远大于Ｔ－Ｌ方向。而其疲劳裂纹扩展速率对应力比更敏感，无论Ｔ－Ｌ还是Ｌ－Ｔ方向，Ｒ＝０．６时的ＦＣＧＲ值是Ｒ＝０．１时的二倍左右。在相同应力比和较小的△Ｋ下，两个方向的ＦＣＧＲ值基本无差异。文中认为：呈带分或串状分布的杂质相对Ｔ－Ｌ向怕裂韧性影响较大。     

γ-TiAl合金涂层防护的最新研究进展

基于γ-TiAl的钛铝合金己证实可以满足汽车内燃机和航空发动机的需求。目前钛铝合金己用于小型汽车系列。但是，γ-TiAl用于航空发动机，如作为高压压缩机或低压涡轮机翼存在的风险和成本问题，却高于现有发动机所允许的范围，这样阻碍了合金在航空发动机方面的应用。然而，钛铝合金的发展潜力却是无可置疑的，因此推动了世界范围的研发活动。最新的研究进展表明与γ-TiAl航空发动机部件相关的问题可能可以解决，因此在不远的将来，航空发动机很可能安装γ-TiAl部件。     

服役后Waspaloy合金的组织及裂纹扩展行为

通过组织分析、裂纹扩展速率试验以及断口形貌分析等手段,研究了服役后Waspaloy合金的微观组织及裂纹扩展行为。进而通过热处理改变了合金的组织状态,比较了不同组织状态下合金的裂纹扩展速率。结果表明:经服役后Waspaloy合金的显微组织没有出现明显恶化,但其裂纹扩展速率显著升高;经两种热处理后合金的裂纹扩展速率都明显降低。     

外应力场下NiAl合金微裂纹动态扩展的分子动力学模拟

目的 对NiAl合金中不同晶体取向的裂纹扩展动力学行为进行原子尺度研究,明晰在塑性变形过程或实际应用过程中裂尖的脆性解理和塑性变形行为,为研究NiAl合金的塑性变形行为和评估服役寿命提供理论基础。方法 建立了4种不同取向的裂尖模型,其扩展取向分别为(010)[001]、(0■1)[100]、(010)[101]、(01■)[011],用分子动力学方法对上述模型进行模拟,采用Gear算法计算原子在真实受力状态下的运动情况。结果 在NiAl合金中,微裂纹在外载作用下的裂尖反应强烈依赖于裂纹取向（裂纹面及裂纹前沿方向）。{110}裂纹面的裂纹构型易于脆性解理扩展;{100}裂纹面的裂纹构型具有一定的塑性,裂尖处可形成位错发射,位错的出现可以协调塑性变形,模拟结果与实验观察相一致。结论 裂纹的晶体取向对裂尖的马氏体相变行为有重要影响,当裂纹前沿为<100>方向时,原子在裂纹前端的{100}滑移面上运动,诱导B2相转变成L10相,产生马氏体相变,这种马氏体相变有利于相变增韧,能够促进裂尖处位错发射,可提升材料塑性和服役寿命。     

高温合金的裂纹扩展与强韧化

用直接流位法研究了高温合金涡轮材料的裂纹扩展速率，结果表明，高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展速率快不完全取决于材料强度，更主要地取决于持久塑性，在考察高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展时，不能仅以速率ｄａ／ｄｔ的绝对值来衡量，还应看裂纹扩展速率曲线的斜率是否锐减或曲线出现明显的拐点，以及曲线所对应的应力强度因子△Ｋ的范围。     

高温合金裂纹扩展速率的影响因素

裂纹扩展速率不仅是高温合金涡轮盘的重要使用性能,同时也是涡轮盘损伤容量设计和寿命预测的重要指标之一.总结了高温合金的裂纹扩展速率的各种影响因素,包括外部因素和内部因素两大类.外部因素指试件或构件的实验条件或服役条件,如温度、环境、频率、应力比、保载时间以及其它因素等.内部因素指材料本身所具有的状态和性能,如材料的晶粒尺寸、析出相、晶界及化学成分等.这些因素单独作用或交互作用影响高温合金裂纹扩展速率.     

单晶γ-TiAl合金中裂纹沿[111]晶向扩展的分子动力学研究

为了从微观角度探索γ-TiAl合金中特定晶向的裂纹扩展机理,研究了γ-TiAl合金中[111]晶向微裂纹扩展的过程及其断裂机理。首先在单晶γ-TiAl合金中预置[111]晶向的微裂纹,然后通过分子动力学方法模拟该裂纹的扩展过程,最终分析了裂尖原子组态变化、微裂纹扩展路径以及应力-应变情况。研究表明,该晶向的微裂纹不是沿直线扩展,而是启裂时裂尖发生偏转,表现出明显的取向效应;微裂纹以裂尖发射滑移位错以及裂尖上形成孪晶的方式进行扩展;受边界的影响,微裂纹扩展到一定阶段会在边界位错堆积处萌生子裂纹,且扩展机制与主裂纹类似;在两个裂纹尖端发射滑移位错的相互作用下,在主裂尖前端再次萌生子裂纹,最终主、子裂纹相连导致断裂;微裂纹扩展过程中的应力分布主要集中于裂尖和扩展过程中形成的孪晶面上,并且随着微裂纹的扩展,裂尖应力值随时间的增大而减小。     

GH169合金显微组织对合金裂纹扩展速率的影响

对四种工艺（普通工艺、高强工艺、直接时效工艺、超细晶工艺）的Ｇ上６９合金的力学性能和６５０℃裂纹扩展速率进行了测试和对比分析。结果表明：晶粒细化和适量的颗粒状、短棒状δ相的晶界析出使合金６５０℃持久塑性明显提高，使合金６５０℃在纯蠕变和以蠕变损伤为主的疲劳－蠕变互作用条件下具有最低的理解纹扩展速率。     

750℃时效对GH4742合金疲劳裂纹扩展行为的影响

研究了在750℃时效处理的GH4742合金的组织演化对疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明,随着时效时间的延长合金中的块状一次γ′相长大且其边界圆滑化,花瓣状二次γ′相沿界面分裂,三次γ′相回溶在基体中或聚集长大成圆角方形γ′相。随着时效时间的延长合金疲劳裂纹的扩展速率呈增加趋势,主裂纹以绕过一次和二次γ′相的方式扩展。近门槛区的疲劳裂纹扩展速率对组织较为敏感,一次γ′相和二次γ′相边界的圆滑化使疲劳裂纹扩展速率提高,三次γ′相适当粗化可提高合金强度和ΔK较低区域裂纹的扩展抗力;Paris区和快速扩展区的应力强度因子范围ΔK较高,组织对疲劳裂纹扩展速率的影响降低。