论文部分内容阅读
本论文工作采用Ni-Al-Re三元EAM势函数和分子动力学方法研究了Re对Ni/NisAl相界面及γ-Ni中裂纹扩展(包括裂尖形状、裂纹扩展速度、位错发射、韧脆特性、晶格捕获和断裂应力)的影响。另外,还运用第一原理计算方法分析了合金化元素对Ni/Ni3Al相界面劈裂功、Ni/Ni3Al相界面裂尖原子间相互作用能、Ni基体原子间相互作用能的影响。本论文包括以下四部分的工作：1.研究了Re对Ni/NiaAl相界面裂纹扩展的影响,探索了低温(5K)和高温(1033K)下Re对裂尖形状、裂尖附近的位错运动、裂纹扩展速度等的影响。MD模拟计算表明：1)Re使高温下裂尖更加钝化。这是由于Ni-Re键强大于Ni-Ni键强所致。2)Re使原子断键更加困难、位错发射更加容易。3)Re使裂纹脆性扩展速度明显下降。2.采用climb-image nudged elastic band(CI-NEB)方法研究了Re对镍基体中层错激活能和裂尖位错成核激活能(△Edis)的影响。一个评估加载下层错激活能的新参量(△Esfb)被提出,用于描述加载状态下Re对层错和裂尖位错成核的影响。最后讨论了Re对300K和1500K下裂尖位错成核频率和断裂韧性的影响。MD模拟计算表明：1)△Edis和△Exfb随Re浓度增加而降低。Re的加入可使裂尖位错成核频率超过实验室门槛频率(v=106/(mm.s)),增加材料韧性。2)△Esfb可以评估加载状态下的Re对层错成核的影响。△Esfb密切联系于△Edis,△Esfb可以反映加载下Re对位错成核趋势的影响。3)Re使△Esfb和△Edis降低的原因：当层错和位错经过Re原子时,使Re原子周围的局域结构膨胀(Re原子与周围第一近邻原子的平均距离增加了0.035-0.052A),降低了Re-Ni原子之间的体积错配,使△Esfb和△Edis降低。3.研究了低温下Re对Ni中5种脆性裂纹体系((111)[112]、(010)[101]、(100)[010]、(011)[100]、(110)[112])的晶格捕获和断裂应力的影响,分析了温度对裂纹韧脆特性的影响,并讨论了Re对周围Ni原子的原子键断裂的影响范围(R)、Re对晶格捕获范围(S)的影响、Re对裂纹前沿弯结和裂尖位错发射的影响、Re对断裂应力的影响。MD模拟计算表明：1)在不加入Re的前提下,宏观断裂力学中的Griffith应力强度因子(KthG)能够很好的预测(MD)中的裂纹临界开裂所需要的真实应力强度因子。2)无论是否加入单个Re、3at.%、6at.%Re,晶格捕获范围都较小。这意味着Re-Ni原子间相互作用是非局域性的。3)裂纹体系中均匀随机加入3at.%或6at.%Re后,晶格捕获的上下限均显著提高,临界断裂应力一般增加10%以上。Re浓度和裂纹方向都可影响临界断裂应力。4)对于加入单个Re原子的稀释Ni(Re)固溶体,Re对周围Ni原子的原子键断裂的影响范围R<5A：对于具有3at.%或6at.%Re浓度的Ni(Re)固溶体,R>17A。4.运用第一原理计算方法分析了合金化元素对Ni/Ni3Al相界面劈裂功、Ni/Ni3Al相界面裂尖原子间相互作用能、Ni基体原子间相互作用能的影响。计算表明：(1)合金化元素对相界面劈裂功的影响顺序为：Re> W> Mo> Ta> Cr> Ru> Co(> Ni)(2)合金化元素对相界面裂尖原子间相互作用能的影响顺序为：Ta> W> Mo> Re> Cr> Ru> Co(> Ni)(3)合金化元素对(无裂纹的)Ni基体中原子间相互作用能的影响顺序为：Ta> W> Mo> Re> Cr> Ru(> Ni)> Co