HCP-Ti塑性变形机制的分子动力学研究

论文摘要

金属钛从实现工业生产至今才50多年时间,由于它具有一系列优良性能而广泛应用于各领域,发展相当迅速,短期内已经显示出它具有强大的生命力,因此对钛的塑性变形机制的研究显得很有必要,本文将采用分子动力学方法研究HCP-Ti单晶体的塑性变形机制。本文利用分子动力学方法,选取HCP-Ti的分析型嵌入原子势,模拟了HCP-Ti单晶体的在不同外加条件下拉伸和剪切变形行为,分别讨论了变形温度、应变率、加载方位等因素对其变形机制的影响。得出以下主要结论:选取了HCP-Ti的EAM/FS势函数作为本文模拟中的势函数,并采用分子动力学软件LAMMPS计算了材料的弹性常数及空位形成能,计算值与实验值符合较好。表明选取的势函数能够很好的描述原子间相互作用力,可以用于本文的分子动力学研究。模拟了不同外加条件下HCP-Ti单晶体受单向拉伸加载的变形过程,结果表明:不同温度条件下,HCP-Ti单晶体沿[ 0001]方向拉伸变形过程都可以分为四个变形阶段:弹性变形阶段、均匀塑性变形阶段、颈缩阶段、断裂阶段;沿[ 0001]方向拉伸变形过程的弹性变形过程基本不受温度影响,塑性变形受温度影响较大。77K温度下塑性变形时很难看到滑移系的启动,此时屈服应力为6.92GPa;300K温度下塑性变形时屈服应力为6.0GPa;773K温度下塑性变形时模型中几乎很难发现孪晶系的存在,此时屈服应力大幅降低至4.54GPa;在300K温度下,沿[0001]拉伸时,随着应变率的增大,屈服应力不断增大;在300K温度下,当拉伸方向为[ 0001]晶向时,变形取向为硬取向,塑性变形较难进行,此时屈服应力较大,值为6.0GPa;当拉伸方向为[1 010]晶向时,变形取向为软取向,塑性变形进行比较容易,此时屈服应力仅为1.88GPa。模拟了不同加载方位,不同温度,不同加载速度下HCP-Ti单晶体的剪切变形行为,重点研究了加载方位分别为（ 0001）[1210]、（1 010）[1210]以及（1011）[1210]情况下的塑性变形情况,结果表明:常温下三种不同加载方位下的剪切变形的变形过程都可以分为四个阶段:弹性变形阶段、屈服阶段、加工硬化阶段和断裂阶段。在原子运动图像中可以观察到,常温下主要是柱面滑移。且柱面滑移所需的起始应力及起始应变值要低于基面滑移所需的起始应力及起始应变值;模拟温度越高,其屈服强度越低。分别模拟了加载速度为0.1nm/ps、0.2nm/ps及0.3nm/ps时的剪切变形,通过应力应变曲线可以发现,随着加载速度的增大,材料的屈服强度不断提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的目的及意义
• 1.3 国内外的研究现状及分析
• 1.3.1 国内的研究现状及分析
• 1.3.2 国外的研究现状及分析
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 分子动力学基础
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学的基本思想
• 2.2.1 经典力学定律
• 2.2.2 分子动力学方法工作框图
• 2.2.3 分子动力学方法的适用范围
• 2.3 分子动力学的主要技术概要
• 2.3.1 初始体系的设置
• 2.3.2 时间步长和势函数
• 2.3.3 力的计算方法
• 2.4 分子运动方程的数值求解
• 2.4.1 Verlet 算法
• 2.4.2 Velocity-Verlet 算法
• 2.4.3 Leap-frog 算法
• 2.4.4 Gear 算法
• 2.5 边界条件与势函数
• 2.5.1 边界条件
• 2.5.2 原子间相互作用势
• 2.6 系综原理
• 2.6.1 微正则系综
• 2.6.2 正则系综
• 2.6.3 等温等压系综
• 2.6.4 等温等焓系综
• 2.7 本章小结
• 第3章 HCP-Ti 的嵌入原子势
• 3.1 引言
• 3.2 HCP 结构金属的嵌入原子势
• 3.2.1 HCP 结构金属的分析型F-S 模型
• 3.2.2 金属Ti 的分析型F-S 模型
• 3.3 HCP-Ti 的弹性常数
• 3.3.1 弹性常数的概念
• 3.3.2 HCP 结构晶体的弹性应变能与应变关系
• 3.3.3 HCP-Ti 弹性常数的计算
• 3.4 HCP-Ti 的空位形成能
• 3.4.1 空位形成能的概念
• 3.4.2 HCP-Ti 空位形成能的计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 HCP-Ti 拉伸变形行为的分子动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 拉伸模型的建立
• 4.3 弛豫
• 4.4 拉伸变形过程
• 4.4.1 77K 时的拉伸变形过程
• 4.4.2 300K 时的拉伸变形过程
• 4.4.3 773K 时的拉伸变形过程
• 4.5 拉伸变形的影响因素
• 4.5.1 温度对拉伸变形行为的影响
• 4.5.2 应变率对拉伸变形行为的影响
• 4.5.3 加载方位对拉伸变形行为的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 HCP-Ti 剪切变形行为的分子动力学研究
• 5.1 引言
• 5.2 剪切模型的建立
• 5.3 弛豫
• 5.4 剪切变形的过程
• 5.4.1 沿（0001）[1（2|-）10] 剪切变形过程
• 5.4.2 沿（10（1|-）0）[1（2|-）10] 剪切变形过程
• 5.4.3 沿（10（1|-）1）[1（2|-）10] 剪切变形过程
• 5.5 剪切变形的影响因素
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 LAMMPS 软件中metal 类型对应的单位
• 致谢