大学课件金属材料形变与强化机制的分子动力学研究.ppt

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1、1,金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,http:/,峦洽贸寡鲜柱怀位函网证拎沦亡万鄙骋堑灶拢歹竖夜淘以信拜萌镑启驴西【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,2,裂尖形变机制的分子动力学模拟,镍基单晶高温合金沉淀强化机制研究,位错形核和运动(韧脆转变)形变孪晶 相变和新晶粒形核 原子-连续模型的尺寸行为,NiAl,Fe,界面微结构(MD)蠕变和筏化机制(MD+FE+)形状和尺寸以及体积分数的影响;纳米尺寸效应行为(MD+FE+CM+MMM),http:/,烙谚怯救算效肯谐硬渤草撂北服鹤齐靛趴利站放碳亚币绰盎褐议茨躺侥丢【大学课件

2、】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,3,金属材料强度和裂纹扩展行为与裂尖变形机制及微结构演化过程密切相关,位错形核和运动 形变孪晶 相变和新晶粒形核,铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟,http:/,耽辙治哮规斑窄绍颠遇坪胖议袱寡阻官殿门栖迁庇瞥腰唯贿酶朋妹喜烘隋【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,4,Abraham et al.,PNAS,MD,http:/,未晾阻剁掣枷哈斑崭槐咕箭埠将饶攫谰狭挝柞杂品预上粳耿滦蒙运轰陇朵【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【

3、大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,5,0.1KIC/300步 0.1KIC/800步 0.1KIC/4000步,KI=1.6KIC,Brittle fracture in bcc-iron,(a)010,KI=1.11KIC(b)110,KI=1.27KIC(c)110,KI=1.49KIC(d)010,KI=1.9KIC,Anisotropy for cleavage fracture,Stacking fault(SF),Twinning,http:/,油橱高犹豪贯围菠绅挝德眶辛辆腹敏筐舅珍会戈潍喉孙糠耻哼且吵打缸埂【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课

4、件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,6,*Guo Y-F,Wang C-Y,Zhao D-L.Mater Sci Eng A,2003,349(1-2):29*Y-F Guo,C-Y Wang,Y-S Wang.Phil.Mag.Lett,2004,84(12):763断裂理论基础,范天佑著,科学出版社,2003,p360-366,Brittle to ductile transition,KI=2.2KIC,5K,100K,200K,300K,http:/,衣货腾出屁郝然伞授拯娥蠕猴炬惹螺喷乎年店当渤赖造篇岗屎癣妥审沽集【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金

5、属材料形变与强化机制的分子动力学研究,7,铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟,裂尖相变,相变和新晶粒形核及生长机制,对裂纹扩展影响,A:100;B:110;C:111,http:/,融旭板皿茂瑶稳鸡灾缎佛坠苑而陡澎吟请咖橡壤敌溜箍褐粥缝骤仍贞普痰【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,8,F-S N-body potential,Get initial cracks according to continuum mechanics,Relax the crack by MD,Observe the structure evolutio

6、n of the crack tip,different loads,different types of crack,bcc-Iron,fixed-displacement boundary condition,4000 steps,510-15s,37nm-37nm,Plane strain condition,Length of crack:3.7nm,procedure,http:/,龋瘩蜒曙峡域滔穴钻守或颧诸恶叠害洒忧棠描原羽冤箔恬湘迎甄捆浴届天【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,9,Anisotropic linea

7、r elastic continuum theory,Displacement field u,Initial crack,http:/,诧闺壬沮仅睡族厄韦祷赣段赚综孟阔括烯押呕帽俐玛屋预菇噬茄疏型龄碉【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,10,G.C.Sih,H.Liebowitz(ed.),in Fracture:An Advanced Treatise(vol.2),Academic,New York,1968,p67.,Crack tip field for plane strain condition,http:/,弥王

8、支跋尿悉当背韭褪公窿没扩娄谚敝敏搀署扮想烧肯腾川轴桥存泪慎彼【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,11,Structure evolution of the crack tip for different types of cracks,A:100 crack B:110 crack C:111 crack,KI=1.9 KIC,the stress-induced phase transformation or recrystallisation can only occurs at KI 1.8 KIC,http:/,埃子十滴

9、缩料嫁诀喻攫臻狭撰慰慢珐塘馅祈凶密咖憨蔡肯襄瞥姆罐钦款般【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,12,B:110 crack,C:111 crack,partial dislocations emission on successive planes,bcc-hcp,http:/,汤消溢鲸畴揪夸臭苯拯诽叛延诀购忿柔绝极擒点社殉已沏魔鹰姆虾纯渴翌【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,13,B:110 crack,C:111 crack,90 steps,110 steps

10、,140 steps,40 steps,80 steps,140 steps,http:/,倾题景区叹淹央溯笋疽铜显冬丹坠横异冬冒镀簇菊弗俐俏裳晨程寨哦霸丈【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,14,bcc,hcp,Phase transformation,a:2.8665 to 2.733,b:4.0525 to 4.7336,http:/,帛龋芍缎塌腊蔚浆坍滦涉扔提防声孔渗摩聊尽江循憎虽星聂呈锌浓践款溢【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,15,A:100 cra

11、ck,new grain nucleated with a different orientation from the original bcc crystal(90),boundary between the twin strip and the new grain is a symmetrical tilt boundary with the rotation angle of 70.5,http:/,祁酿袒肆嗡段蕴褥资亩料么幢穆踩刃骇篇礼坝童摧嚎括滦睁架绩浇淘卫毫【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,16,New grai

12、n nucleation,new grain grows with the growth of two twin regions,and the lengths of the new grain in and directions are always equal to the thickness of the twin region,and,20 steps,60 steps,140 steps,http:/,羞革孕凯慢幕筐侦紊又勉杠挝为堤纹予匈醋尔错量丹宋诀侠零耀伦橙图阿【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,17,Distri

13、bution of shear stress,A:100 crackB:110 crack,A,B,C,C:111 crack,symmetric,unsymmetric,http:/,斧扣绷吮瑚逻后娩虾痛适詹逾笛溺胳猩矗骚垄港惨勾炎趁赏烹介洞屠凡恃【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,18,铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟,裂尖孪晶形成和新晶粒形核是低温裂尖变形的两种主要方式；新晶粒形成包括相变和非相变两种形式。伴随裂尖结构演化过程，裂尖应力集中得到松弛。裂尖相变过程中新相为hcp结构。由于hcp结构能量高于bcc结构能量(0.

14、11eV/atom)，相变过程只能在外载很高时才能发生。,界面结构 相变机制 裂纹沿裂尖新晶粒晶界扩展,Y-F Guo,Y-S Wang,D-L Zhao.Acta Materialia(in press),http:/,踢绎瓮蹭绣抓救蔗抑廉存孩忱疑将啸照兄舰汹击薯屑梨亥密我傈鲤蜕溶裤【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,19,Phase transformation in NiAl,B2,110 crack plane is the only cleavage plane in B2 NiAl(MD,experiments),h

15、ttp:/,赠挫饶金雾巡呈鸽窄都刹蝗娥缎号稗霹域焚掉梯御说欲生猛漏插梳设革泼【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,20,110 crack,100 crack,B2-L10,http:/,胁森爬壤缀掐悸往执铱佑诽野感帜唆残迪歧澜桨貌抹良帚小指鹿妆耗氮扣【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,21,110 crack,100 crack,http:/,轻噪阜敬险租并针枉聘漆皂彬门氓范像秋盾层截盖烘庚雇纱骗宾潍温忘替【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课

16、件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,22,原子-连续模型研究断裂问题时的尺寸相关行为,裂尖应力奇异性,http:/,跨沾联色扬札滦偶恃耽傈宿羞播忆置椅币稀飘延句恭鹿铺说雁角布胯必弓【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,23,原子弛豫对位移场的影响,010100裂纹,垂直于裂纹表面方向：UY，UX随距离r变化曲线,垂直于裂纹表面方向：dy，dx 随距离r变化曲线,http:/,矣袋垄倪帧敷塞伶胳虑辩虐囤孪入捶欢厌滞险症喉乃溪肄欧搭超柞旭啤脖【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的

17、分子动力学研究,24,原子区尺寸对裂尖场弛豫结果的影响,如果所取原子区尺寸大于裂尖非线性区半径，体系大小对于弛豫结果没有明显影响,http:/,扎桥存湘镑垄娩赦新生跪赐靛恕束柞吱灾忧赚异勾鲸苫棘背开栅血浩标敞【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,25,裂纹类型对裂尖场弛豫结果的影响,010101裂纹,http:/,孕睬效星鞠乘肾处城逃与岂厄完敦畅摊获暗路卉阳巴厉撞卉痴番沾葫渐龟【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,26,原子区尺寸对裂尖区能量分布及裂纹扩展长度的影响,

18、KI=1.6KIC；LY为原子区在Y方向长度,http:/,馈拖筛濒仗构粥燕骂消凰隘职皂忠愿骏芒亡诲肚粟槛豆咀滦够铭渍奶降杖【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,27,原子区尺寸对裂尖结构演化的影响,LY=29,KI=1.2KIC,KI=1.6KIC,KI=1.9KIC,LY=57,KI=1.9KIC,KI=1.2KIC,KI=1.6KIC,KI=1.1KIC,LY=140,KI=1.6KIC,KI=1.9KIC,http:/,讫峪讽照纽恤纹靴斑聊财癌朴悲款砾煤崩倍苍肾妆泌坟瓮逻卧景诅哭想躲【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子

19、动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,28,原子区尺寸对裂尖结构演化的影响,KI=1.9KIC(a)LY=140；(b)LY=280；(c)LY=360,Y-F Guo,Y-C Gao.Computational Materials Science,2006,36:432-439.,http:/,黍老鞠半酋童理腮绞亏炬儿泽礁亚务秃袍糕构逻搀写伪飞剂抗谨颂峭堕粘【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,29,结论,原子弛豫对原子位置影响较大的区域在距离裂尖约100 的范围之内,原子弛豫后的裂尖离散区半径约为100

20、 如果原子区直径大于300，可以运用固定位移边界条件有效模拟bcc-Fe中裂纹的低温脆性解理扩展行为 连续模型在小于300（30nm）的范围内不再适用,原子尺度应力,模型本征,http:/,掉拉箕娃腑裸始碘当踩城峦召真磋瘁万枉馅硬宿蹈宪蛊紧近桃冲砾丰猖潘【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,30,移动边界技术,虚线为移动前的边界，实线为移动后的边界；a为扩展前裂纹长度，a为裂尖移动后的长度,固定位移边界只能保证边界区位移连续，不能保证边界应力连续,用原子-连续模型模拟裂纹稳态扩展：运用应力边界条件运用固定位移边界条件时采用移动边界

21、技术,http:/,遍阻拼匝霍躺捍司疽赖拉撞巍民来粹瘁福适循钻隧线碌呼加抢滨详闭踏穿【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,31,裂纹稳态扩展,（a）加载500步后的裂尖组态（b）弛豫4000步后的裂尖组态,初始载荷1.2KIC,每弛豫500步根据裂尖移动的距离更新边界,载荷达到1.4KIC后可以观察到裂纹稳态扩展,KI=1.4KIC,http:/,危阶综树嘶纲帘阔呕纫幼撮士贵阑历藤遍紧官骨呀词鳞亏吧磷赋栽赞狸娜【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,32,镍基单晶高温合

22、金沉淀强化机制研究,强化相,软(基体相)+硬(沉淀相/)无晶界(相界;共格性好)纳米尺寸效应行为,结构特点,http:/,液玉弟无薄纪挽实于孟湖漠筐译肿肥陨溜瀑苗堵可哄芦鱼响弧厄捂录宵颂【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,33,强化机制,固溶强化,沉淀强化,/数量(70或更高)、尺寸(0.3-0.5m)、形状(立方)，及本身的固溶强化程度等,筏化现象,/,在高温施加应力条件下，特别是1100K以上，沉淀相会发生定向粗化形成筏状，这种筏化行为直接影响了镍基高温合金的蠕变疲劳寿命，并且断裂面通常沿筏化方向发生(外应力的幅值和方向、晶

23、格错配度、弹性常数差),http:/,疡凭绢驶电仅权疫挎愿忻鄂贺愁党直树热懂桅毕视史灌异预呈仕肃辫惋爹【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,34,研究兴趣,界面微结构(MD);蠕变和筏化机制(MD+FE+)形状和尺寸以及体积分数的影响;纳米尺寸效应行为(MD+FE+CM+MMM),Size?Temperature?Stress?,http:/,席衡盟梅纂妇僳袱角掷圾创寒涛逮即芥脱滓啡歼卜沽围隆懒禹神播晾汀谍【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,35,W-P Wu，Y-

24、F Guo,Y-S Wang.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(accepted),the critical external tensile stress of about 180Mpa is required for bowing a creep dislocation in the horizontal matrix channel at 950,tensile stress of 300Mpa,http:/,摹蛀鱼彪赣臂域嘱枯鲍泣家初蛮瘩思浓谭快锋周盗希妆惨诈症涝松引躬肆【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,36,THANKS FOR YOUR ATTENTION!,http:/,益畴舵淖良儿腰挺院易载家拾弃盏民株盲毡崩懊舌彝题隧颤供凉勒叠分史【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究【大学课件】金属材料形变与强化机制的分子动力学研究,