Cu-Al-Ni合金中马氏体相变的分子动力学模拟

论文摘要

马氏体相变是指一类由高温高对称性母相（奥氏体相）进行急剧降温或在应力作用下材料发生的一种非扩散型一级相变。奥氏体相在相界面上发生位移型原子迁动,产生低对称性的相变产物:马氏体。马氏体相变最典型的应用是工业生产中钢的强化,此外还有形状记忆合金和超弹性材料。本文研究的Cu-Al-Ni合金就是一种具有代表性马氏体相变的材料。由于马氏体相变发生的非常快或者很难跟踪到界面上原子的迁移,本文采用分子动力学手段对相变进行模拟,这种方法能够给出相变的所有细节,因而能有效弥补实验手段的不足。论文首先回顾了研究现状,概述了分子动力学的一般原理。然后对铜基合金,尤其是Cu-Al-Ni合金中的马氏体相变行为进行了总结。之后根据马氏体相变晶体学理论,我们编制了构造奥氏体及孪晶马氏体原子空间构型的matlab软件包。我们还根据文献资料和自己的估算,给出了适用于Cu-Al-Ni材料的修正嵌入原子方法势函数。对材料物性参数的计算检验表明,所构造的势函数的是合理的。在以上工作的基础上,本文分别研究了Cu-Al-Ni合金中的热弹性和应力诱发马氏体相变。通过对单一温度和升温-降温循环过程的模拟,我们确定了Cu-Al-Ni合金中热弹性马氏体相变的转变温度;并观察到了发生马氏体相变和逆相变时所伴随的表面浮凸和扭转现象。在拉伸模拟中,也成功的观察到了应力诱发马氏体相变。本文的工作将可用于马氏体相变界面高速推进动力学机制的研究中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 马氏体与马氏体相变
• 1.1.1 马氏体相变的基本特征
• 1.1.2 马氏体相变的定义
• 1.1.3 马氏体相变的应用
• 1.2 马氏体相变中的界面运动
• 1.3 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 论文的篇章结构
• 第2章 分子动力学模拟的基本技术方法
• 2.1 分子动力学模拟的基本原理
• 2.2 牛顿运动方程
• 2.3 有限差分法
• 2.4 分子动力学计算的时间间隔
• 2.5 势函数问题
• 2.6 初始条件问题
• 2.7 边界条件问题
• 2.8 分子动力学模拟的系综
• 2.8.1 平衡系综的分类
• 2.8.2 平衡系综的控制方法
• 2.9 感兴趣量的提取
• 2.10 小结
• 第3章 铜基形状记忆合金中的马氏体相变
• 3.1 有色合金中的马氏体相变
• 3.2 铜基形状记忆合金晶体学特征
• 3.2.1 母相晶体学特征
• 3.2.2 马氏体晶体学特征
• 3.3 马氏体变体群结构
• 3.4 铜基记忆合金的其它特征
• 3.4.1 马氏体态时效效应
• 3.4.2 母相时效效应及其他相变
• 3.4.3 Cu 基形状记忆合金的热循环稳定性
• 3.5 小结
• 第4章 Cu-Al-Ni 合金马氏体相变的初始模型和力场势函数
• 4.1 古典分子动力学软件LAMMPS
• 4.2 Cu-Al-Ni 合金马氏体晶体学理论
• 4.3 Cu-Al-Ni 合金初始晶格模型的构造
• 4.4 Cu-Al-Ni 马氏体相变模拟的势函数
• 4.4.1 EAM 势函数
• 4.4.2 Finnis-Sinclair 势函数形式
• 4.4.3 MEAM 势函数
• 4.5 Cu-Al-Ni 合金MEAM 势函数的参数确定
• 4.6 小结
• 第5章 铜铝镍合金中应力诱发马氏体相变的分子动力学模拟
• 5.1 初始模型的弛豫
• 5.2 Cu-Al-Ni 合金MEAM 势函数的验证
• 5.3 单向加载应力诱发马氏体相变
• 5.4 小结
• 第6章 铜铝镍合金中热弹性马氏体相变的分子动力学模拟
• 6.1 初始模型
• 6.2 单一温度载荷下热弹性马氏体相变模拟
• 6.3 温度循环载荷下热弹性马氏体相变模拟
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢