罗德春等：单晶-TiAI合金中裂纹沿[111]晶向扩展的分子动力学研究文章编号：1001-9731(2016)02-02067-05
02067
单晶y-TiA1合金中裂纹沿111晶向扩展的分子动力学研究
罗德春1,2，芮执元1,2，付蓉1.2，张玲3，昌锋1,2，曹卉1,2
（1.兰州理工大学机电工程学院，兰州730050；
2.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，兰州730050
3.兰州工业学院机电工程学院，兰州730050）
摘要：为了从微观角度探索-TiAI合金中特定晶向的裂纹扩展机理，研究了-TiA1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 TiA1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：微黎纹以裂尖发射滑移位错以及裂尖上形成李晶的方式进行扩展：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子裂尖和扩展过程中形成的李晶面上，并且随着微裂纹的扩展，裂尖应力值随时间的增大而减小。
关键词：-TiA1合金；分子动力学;[111]晶向；裂纹
扩展
中图分类号：TG146.2+3；O346.1
文献标识码：A
DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.014 0引言
近年来，轻质、高温结构材料是研究者们所关注的
重点，其中，T1A1基合金作为新型结构材料之一，目前主要用于发动机用高用压缩机叶片、高压涡轮叶片、低压涡轮、过度导管、排气阀、喷嘴等，TiA1基合金本身具有的优良特性决定了它在这些重要领域的应用。
关于TiA1基合金性能的实验研究已经非常广泛对于等轴-TiA1合金和层状TiA1合金的断裂机理，裂纹扩展过程与层位向、加载轴之间的角度以及所施加应变幅对疲劳裂纹产生的影响等有了深人地研究[2-5]。在全层状组织结构TiA1合金的研究中发现，裂纹萌发和扩展不仅依赖片层与拉伸轴的相对取向，还受晶界取向的影响，而且发现晶界具有双重作用，一方面裂纹首先萌发于晶界区，其扩展方式取决于晶界
*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51065014）收到初稿日期：2015-04-22
收到修改稿日期：2015-07-31
两侧片层的取向，因而对全层状TiA1基合金韧性的作用不同6-行。虽然实验研究得到了很多有意义的成果。但为了更加深人地弄清楚材料的断裂机理，仅通过实验是远远不够的，一般来说，裂纹的形核及其扩展初期都是在原子或分子尺度上进行的，而建立在宏观连续介质力学上的裂纹扩展机理，由于其均匀连续性假设，也与实际情况相差甚远，不再适合于解释原子或分子尺度下的断裂过程，因此有必要建立微纳米尺度下的新型裂纹运动机理来解释裂纹萌生和扩展的规律。因此，学者们希望可以找到一种有效描述微观裂纹扩展机理的方法。分子动力学方法是近几十年发展起来的一种解决由大量原子组成的系统动力学问题的计算方法，它能够揭示材料在微观尺度下的变形和断裂过程的实质，即位错的形成、运动、塞积等微观变化，最终导致材料破坏的宏观结果，因而成为分子、原子尺度上研究微观特性的有力工具。
Tang等[8]用分子动力学模拟了-TiAl单晶的空
洞开裂过程，发现位错核的连续产生和剪切循环的打展使得空洞开裂，初始届服强度随着试件尺寸和空洞体积分数的增加而减小，随着应变率的增加而增加。曲洪磊等[用分子动力学方法对-TiAI单晶纳米杆在室温下的拉伸变形过程进行了模拟，研究发现 TiA1单晶纳米杆在室温下的塑性变形机制为李生和普通位错.进人塑性变形后单晶纳米杆中开始出现层错等缺陷，变形过程中积累的应变能得以释放，使得应力-应变曲线中出现应力水平突然下降的现象。刘永利等0利用分子动力学模拟了TiA1/Ti:A1双相体系中的剪切变形过程，并对变形过程中位错的形核、滑移系的启动以及相关结构的转变作出了研究分析，认为该剪切变形过程为粘滞-滑移式的滑移行为，界面在其中起到了传递能量和协调变形的作用，fcc-TiA1在受到局部剪切应力时将向hcp结构发生转变，而在应力较为集中的hcp-TisA1中易形成连续且稳定的fcc堆垛层错。张斌(]用分子动力学方法模拟了Ti-A1合金 β-→α相变行为以及拉伸变形行为，发现在相变过程中，在晶界交汇处容易出现层错、李晶界等晶体缺陷，模拟
通讯作者：芮执元，E-mail：zhiy_rui@163.com
作者简介：罗德春（1979一），男，兰州人，博士，师承芮执元教授，主要从事材料机械强度、数字化制造技术研究。