CN110489934A - 一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法，其具体方法如下：(1)分子动力学仿真模型的建立；(2)系统弛豫；(3)势函数的选取；(4)边界条件选取；(5)载荷控制。本发明方法基于分子动力学方法，对单晶及多晶钛内微裂纹扩展过程进行了数值模拟，考察了不同环境因素下、不同载荷条件下、不同类型裂纹的扩展情况，阐述了载荷性质、应变率、频率和方向及环境温度对裂纹扩展的影响，揭示了位错，晶界，晶格相变等晶体行为与裂纹扩展之间的内在关系。同时，揭示裂纹对材料内部能量、体应变等物理量影响的作用规律，归纳得出钛晶体中裂纹的扩展机理，从微观尺度上提高对含裂纹钛材料的力学行为的认识。
Description
技术领域
本发明涉及一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法，属于固液两相磨粒流精密加工技术领域。
背景技术
金属材料在铸造、锻造，成形工艺及使用服役等过程中，都会一定程度地在其内部造成微观损伤。微裂纹的存在是一种隐患，会使构件刚度、强度、韧性及使用寿命大打折扣。在一定的外部因素，如交变载荷，温度变化以及应力腐蚀等作用下，这些微裂纹缺陷会不断扩展、演变，最终形成宏观裂纹。裂纹的持续扩展最终会导致构件的断裂破坏，而断裂是金属材料的三大失效类型之一。
常压下，温度低于882.5℃时，钛金属材料为α-Ti形态，即密方六排晶格结构(HCP)。高于882.5℃而低于熔点时，钛将转化为晶格为体心立方结构(BCC)的β-Ti。钛是从20世纪60年代逐渐被研究认识，开发利用的一种重要的结构金属，相比已有几千年研究历史的铜、铝等，钛是一种非常“年轻”的金属，但其应用已十分广泛，且主要用于航空航天、船舶舰艇、军工兵器、汽车制造等高科技产业领域。我国钛产业规模已经位居世界第二，正在从钛材深加工工艺、高端损伤容限型钛材料研发、低成本规模化生产制造等方面赶超世界领先水平，建立具有中国特色的钛合金体系以满足高端工业生产需求具有重大战略意义。我国生产的钛金属中，有接近一半应用在航空工业领域承力部件的制造，发达国家地区的比例更高，因此对钛金属内的裂纹扩展进行研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法。
为了实现上述目的，一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法的技术方案如下：
(1)分子动力学仿真模型的建立：建立含预置微裂纹的单晶钛模型，分别以以晶向[1 0 -1 0]、[0 0 0 1]和[1 2 -3 0]为x、y及z三个坐标轴方向。模型尺寸为50×30×4个晶格单位，共28865个原子。通过剔除指定区域内的原子，在模型中心预置8×0.2×0.2晶格单位的细长微裂纹。建立多晶钛模型，首先建立初始的单晶系，分别以晶向[10-10]、[1-210]和[0001]为x、y及z三个坐标轴方向，z轴即为晶格c轴。根据Voronoi算法将建立的单晶钛模型划分为多个晶粒区域。在单晶钛模型内随机分布n个种子，n为晶胞个数，然后根据Voronoi算法以种子为中心划分出n个空间，本方法中n取为48，每个空间随机旋转不同角度，相邻种子的连接线的中垂线为晶界。
(2)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法来调节系统温度，以使系统初始模型达到平衡状态。
(3)势函数的选取：势函数类型采用EAM(嵌入原子势函数)，因其能够精确地反映金属材料微观粒子之间的相互作用。
(4)边界条件选取：在拉伸方向选取包覆式边界条件，即边界会随模型尺寸变化而变化，始终包裹住模型内的原子；其余两个方向选择周期性边界条件。
(5)载荷控制：不论拉伸还是剪切，都用速度标定控制，赋予上边界层以移动速度，牛顿层沿拉伸方向从上至下呈线性梯度分布，载荷方向以外的两个方向上速度设置为NULL，即在控制程序中缺省不加以标定，载荷的速度与原子自由热运动的速度叠加，两者之间并不矛盾。拉伸载荷与剪切载荷区别只在于速度方向不同,下边界层保持固定不动。恒定应变率拉伸载荷的大小依次设定为1×10-7至8×10-7ps的8个数值，在程序中换算成对应的疲劳载荷的施加通过循环变量loop型变量y控制，变量y为仿真步数i的函数，根据不同的疲劳载荷形式有不同的函数方程。
基于分子动力学方法，对单晶及多晶钛内微裂纹扩展过程进行了数值模拟，考察了不同环境因素下、不同载荷条件下、不同类型裂纹的扩展情况，阐述了载荷性质、应变率、频率和方向及环境温度对裂纹扩展的影响，揭示了位错，晶界，晶格相变等晶体行为与裂纹扩展之间的内在关系。同时，揭示裂纹对材料内部能量、体应变等物理量影响的作用规律，归纳得出钛晶体中裂纹的扩展机理，从微观尺度上提高对含裂纹钛材料的力学行为的认识。
主要研究成果如下：
(1)从微观角度下观察发现，裂纹尖端受到应力集中作用，该区域原子率先被激活，随着原子间距加大，原子键伸长，原子势能提升。当原子能量高于临界值时，裂尖原子会打破相互作用的束缚而脱离平衡位置，这时原子键发生断裂，裂纹失稳发生扩展。材料的塑性对裂纹的扩展方式影响很大，当材料表现脆性时，裂纹发生脆性解理，而材料塑性增强时，裂纹的塑性扩展会演化为孔洞，在后续颈缩变形下孔洞会被两侧团簇填充占据。当材料表现为塑性时，模型内部会在应力作用下发生塑性流动，由于原子运动能力强，边缘裂纹所造成的缺口会被填平，而沿着[12-30]拉伸时，材料塑性表现下降，边缘裂纹则形成明显的缺口。
(2)孔洞的生长过程中，加入内表面的原子并非是距离表面最近的，而是一队原子从内表面势能最高的点陆续跃迁进入，形成更大的孔洞表面，这种方式可以消耗更少的能量，符合表面自由能最小化的规律。
(3)材料发生范性变形过程中，裂纹尖端会发射位错，裂尖扩展与位错发射交替进行，两者对能量的分配存在竞争。位错发射频率随温度升高而降低，位错运动随温度升高而更加顺畅。当载荷沿着晶格c轴，即[0001]晶向拉伸时，位错类型复杂；沿着[12-30]拉伸时，晶格主要转化为非晶结构，且位错种类单一，仅有1/3[1-210]类型。
(4)在研究材料剪切变形时，观察到位错的运动会造成所经区域的晶格发生相变。晶格由HCP到BCC的相变，再到HCP的恢复过程中，部分原子会在层间跃迁，导致原子层堆垛次序发生变化，并伴随有原子键发生断裂及新的原子对组合形成。虽然晶格获得恢复，但上、下两个相变层的原子发生了重排。晶格的恢复，是由与造成晶格相变的位错类型相同的位错反向运动而实现的，在本研究中为1/3[1-100]型位错。当剪切力偶作用面垂直晶格c轴时，模型抗剪切变形能力较差，裂纹所在层面会发生错位，模型侧表面会产生阶梯错落形貌，这种阶梯的形成是由于位错传播至模型侧边界并逸出所造成的。
(5)当模型内裂纹演变为孔洞时，孔洞周围四条位错带对模型内的能量吸收区域具有清晰的划分作用，孔洞无法传递载荷作用，因而载荷方向的上下两个区域的势能分布较低且均匀。模型能量缓冲的主要区域为左右两侧。当模型内有上、下两条裂纹分布时，较为接近模型中心的裂纹会率先发生扩张，并持续演变为孔洞，另一条裂纹则处在扩展裂纹产生的低能量区域中，被保护起来，保持稳定。两条裂纹中竞争失败的裂纹会被屏蔽载荷作用，完全失去扩展机会。另外，当且仅当裂纹在演化为孔洞时，会有应变波从孔洞发出，并向四周传播，孔洞形成之后，应变分布较为紊乱。
(6)多晶钛裂纹研究中发现，晶界原子结合能力差，对低温敏感，是材料低温脆化的内在原因，低温下裂纹会沿晶界发生脆性解理。同样由于晶界处的原子结合力低于晶格内原子之间作用力，晶界对于裂纹的扩展走向有着引导作用，裂纹沿着晶间扩展可以使所需打破原子键结合能更低，从而耗费更低的能量。当晶界裂纹一端扩展受阻时，裂尖会向晶粒内发射位错并在后续仿真中沿着位错方向扩展，通过位错发射完成扩展路径的转向。此外，在三叉晶界处，裂纹会选择沿着发生滑动退让的晶粒边界继续扩展。晶粒尺寸越小，模型变形越均匀，孔洞形状也更规则。
附图说明
图1为密排六方晶格及晶向示意图。
图2为方向旋转后的晶粒及其边界。
图3为多晶晶粒及晶界交点。
图4为Voronoi算法构造的多晶钛模型。
具体实施方式
(1)分子动力学仿真模型的建立：建立含预置微裂纹的单晶钛模型，分别以以晶向[1 0 -1 0]、[0 0 0 1]和[1 2 -3 0]为x、y及z三个坐标轴方向。模型尺寸为50×30×4个晶格单位，共28865个原子。通过剔除指定区域内的原子，在模型中心预置8×0.2×0.2晶格单位的细长微裂纹。建立多晶钛模型，首先建立初始的单晶系，分别以晶向[10-10]、[1-210]和[0001]为x、y及z三个坐标轴方向，z轴即为晶格c轴。根据Voronoi算法将建立的单晶钛模型划分为多个晶粒区域。在单晶钛模型内随机分布n个种子，n为晶胞个数，然后根据Voronoi算法以种子为中心划分出n个空间，本方法中n取为48，每个空间随机旋转不同角度，相邻种子的连接线的中垂线为晶界。
(2)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法来调节系统温度，以使系统初始模型达到平衡状态。
(3)势函数的选取：势函数类型采用EAM(嵌入原子势函数)，因其能够精确地反映金属材料微观粒子之间的相互作用。
(4)边界条件选取：在拉伸方向选取包覆式边界条件，即边界会随模型尺寸变化而变化，始终包裹住模型内的原子；其余两个方向选择周期性边界条件。
(5)载荷控制：不论拉伸还是剪切，都用速度标定控制，赋予上边界层以移动速度，牛顿层沿拉伸方向从上至下呈线性梯度分布，载荷方向以外的两个方向上速度设置为NULL，即在控制程序中缺省不加以标定，载荷的速度与原子自由热运动的速度叠加，两者之间并不矛盾。拉伸载荷与剪切载荷区别只在于速度方向不同,下边界层保持固定不动。恒定应变率拉伸载荷的大小依次设定为1×10-7至8×10-7ps的8个数值，在程序中换算成对应的疲劳载荷的施加通过循环变量loop型变量y控制，变量y为仿真步数i的函数，根据不同的疲劳载荷形式有不同的函数方程。
基于分子动力学方法，对单晶及多晶钛内微裂纹扩展过程进行了数值模拟，考察了不同环境因素下、不同载荷条件下、不同类型裂纹的扩展情况，阐述了载荷性质、应变率、频率和方向及环境温度对裂纹扩展的影响，揭示了位错，晶界，晶格相变等晶体行为与裂纹扩展之间的内在关系。同时，揭示裂纹对材料内部能量、体应变等物理量影响的作用规律，归纳得出钛晶体中裂纹的扩展机理，从微观尺度上提高对含裂纹钛材料的力学行为的认识，主要研究成果如下：
(1)从微观角度下观察发现，裂纹尖端受到应力集中作用，该区域原子率先被激活，随着原子间距加大，原子键伸长，原子势能提升。当原子能量高于临界值时，裂尖原子会打破相互作用的束缚而脱离平衡位置，这时原子键发生断裂，裂纹失稳发生扩展。材料的塑性对裂纹的扩展方式影响很大，当材料表现脆性时，裂纹发生脆性解理，而材料塑性增强时，裂纹的塑性扩展会演化为孔洞，在后续颈缩变形下孔洞会被两侧团簇填充占据。当材料表现为塑性时，模型内部会在应力作用下发生塑性流动，由于原子运动能力强，边缘裂纹所造成的缺口会被填平，而沿着[12-30]拉伸时，材料塑性表现下降，边缘裂纹则形成明显的缺口。
(2)孔洞的生长过程中，加入内表面的原子并非是距离表面最近的，而是一队原子从内表面势能最高的点陆续跃迁进入，形成更大的孔洞表面，这种方式可以消耗更少的能量，符合表面自由能最小化的规律。
(3)材料发生范性变形过程中，裂纹尖端会发射位错，裂尖扩展与位错发射交替进行，两者对能量的分配存在竞争。位错发射频率随温度升高而降低，位错运动随温度升高而更加顺畅。当载荷沿着晶格c轴，即[0001]晶向拉伸时，位错类型复杂；沿着[12-30]拉伸时，晶格主要转化为非晶结构，且位错种类单一，仅有1/3[1-210]类型。
(4)在研究材料剪切变形时，观察到位错的运动会造成所经区域的晶格发生相变。晶格由HCP到BCC的相变，再到HCP的恢复过程中，部分原子会在层间跃迁，导致原子层堆垛次序发生变化，并伴随有原子键发生断裂及新的原子对组合形成。虽然晶格获得恢复，但上、下两个相变层的原子发生了重排。晶格的恢复，是由与造成晶格相变的位错类型相同的位错反向运动而实现的，在本研究中为1/3[1-100]型位错。当剪切力偶作用面垂直晶格c轴时，模型抗剪切变形能力较差，裂纹所在层面会发生错位，模型侧表面会产生阶梯错落形貌，这种阶梯的形成是由于位错传播至模型侧边界并逸出所造成的。
(5)当模型内裂纹演变为孔洞时，孔洞周围四条位错带对模型内的能量吸收区域具有清晰的划分作用，孔洞无法传递载荷作用，因而载荷方向的上下两个区域的势能分布较低且均匀。模型能量缓冲的主要区域为左右两侧。当模型内有上、下两条裂纹分布时，较为接近模型中心的裂纹会率先发生扩张，并持续演变为孔洞，另一条裂纹则处在扩展裂纹产生的低能量区域中，被保护起来，保持稳定。两条裂纹中竞争失败的裂纹会被屏蔽载荷作用，完全失去扩展机会。另外，当且仅当裂纹在演化为孔洞时，会有应变波从孔洞发出，并向四周传播，孔洞形成之后，应变分布较为紊乱。
(6)多晶钛裂纹研究中发现，晶界原子结合能力差，对低温敏感，是材料低温脆化的内在原因，低温下裂纹会沿晶界发生脆性解理。同样由于晶界处的原子结合力低于晶格内原子之间作用力，晶界对于裂纹的扩展走向有着引导作用，裂纹沿着晶间扩展可以使所需打破原子键结合能更低，从而耗费更低的能量。当晶界裂纹一端扩展受阻时，裂尖会向晶粒内发射位错并在后续仿真中沿着位错方向扩展，通过位错发射完成扩展路径的转向。此外，在三叉晶界处，裂纹会选择沿着发生滑动退让的晶粒边界继续扩展。晶粒尺寸越小，模型变形越均匀，孔洞形状也更规则。
Claims (2)
1.本发明涉及一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)分子动力学仿真模型的建立：建立含预置微裂纹的单晶钛模型，分别以以晶向[1 0-1 0]、[0 0 0 1]和[1 2 -3 0]为x、y及z三个坐标轴方向。模型尺寸为50×30×4个晶格单位，共28865个原子，通过剔除指定区域内的原子，在模型中心预置8×0.2×0.2晶格单位的细长微裂纹，建立多晶钛模型，首先建立初始的单晶系，分别以晶向[10-10]、[1-210]和[0001]为x、y及z三个坐标轴方向，z轴即为晶格c轴，根据Voronoi算法将建立的单晶钛模型划分为多个晶粒区域，在单晶钛模型内随机分布n个种子，n为晶胞个数，然后根据Voronoi算法以种子为中心划分出n个空间，本方法中n取为48，每个空间随机旋转不同角度，相邻种子的连接线的中垂线为晶界；
(2)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法来调节系统温度，以使系统初始模型达到平衡状态；
(3)势函数的选取：势函数类型采用EAM(嵌入原子势函数)，因其能够精确地反映金属材料微观粒子之间的相互作用；
(4)边界条件选取：在拉伸方向选取包覆式边界条件，即边界会随模型尺寸变化而变化，始终包裹住模型内的原子；其余两个方向选择周期性边界条件；
(5)载荷控制：不论拉伸还是剪切，都用速度标定控制，赋予上边界层以移动速度，牛顿层沿拉伸方向从上至下呈线性梯度分布，载荷方向以外的两个方向上速度设置为NULL，即在控制程序中缺省不加以标定，载荷的速度与原子自由热运动的速度叠加，两者之间并不矛盾，拉伸载荷与剪切载荷区别只在于速度方向不同,下边界层保持固定不动。恒定应变率拉伸载荷的大小依次设定为1×10-7至8×10-7ps的8个数值，在程序中换算成对应的/ps，疲劳载荷的施加通过循环变量loop型变量y控制，变量y为仿真步数i的函数，根据不同的疲劳载荷形式有不同的函数方程。
2.根据权利要求1所述的一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法，其特征在于：基于分子动力学方法，对单晶及多晶钛内微裂纹扩展过程进行了数值模拟，考察了不同环境因素下、不同载荷条件下、不同类型裂纹的扩展情况，阐述了载荷性质、应变率、频率和方向及环境温度对裂纹扩展的影响，揭示了位错，晶界，晶格相变等晶体行为与裂纹扩展之间的内在关系，同时，揭示裂纹对材料内部能量、体应变等物理量影响的作用规律，归纳得出钛晶体中裂纹的扩展机理，从微观尺度上提高对含裂纹钛材料的力学行为的认识，主要研究成果如下：
(1)从微观角度下观察发现，裂纹尖端受到应力集中作用，该区域原子率先被激活，随着原子间距加大，原子键伸长，原子势能提升，当原子能量高于临界值时，裂尖原子会打破相互作用的束缚而脱离平衡位置，这时原子键发生断裂，裂纹失稳发生扩展，材料的塑性对裂纹的扩展方式影响很大，当材料表现脆性时，裂纹发生脆性解理，而材料塑性增强时，裂纹的塑性扩展会演化为孔洞，在后续颈缩变形下孔洞会被两侧团簇填充占据。当材料表现为塑性时，模型内部会在应力作用下发生塑性流动，由于原子运动能力强，边缘裂纹所造成的缺口会被填平，而沿着[12-30]拉伸时，材料塑性表现下降，边缘裂纹则形成明显的缺口；
(2)孔洞的生长过程中，加入内表面的原子并非是距离表面最近的，而是一队原子从内表面势能最高的点陆续跃迁进入，形成更大的孔洞表面，这种方式可以消耗更少的能量，符合表面自由能最小化的规律；
(3)材料发生范性变形过程中，裂纹尖端会发射位错，裂尖扩展与位错发射交替进行，两者对能量的分配存在竞争，位错发射频率随温度升高而降低，位错运动随温度升高而更加顺畅，当载荷沿着晶格c轴，即[0001]晶向拉伸时，位错类型复杂；沿着[12-30]拉伸时，晶格主要转化为非晶结构，且位错种类单一，仅有1/3[1-210]类型；
(4)在研究材料剪切变形时，观察到位错的运动会造成所经区域的晶格发生相变，晶格由HCP到BCC的相变，再到HCP的恢复过程中，部分原子会在层间跃迁，导致原子层堆垛次序发生变化，并伴随有原子键发生断裂及新的原子对组合形成。虽然晶格获得恢复，但上、下两个相变层的原子发生了重排，晶格的恢复，是由与造成晶格相变的位错类型相同的位错反向运动而实现的，在本研究中为1/3[1-100]型位错，当剪切力偶作用面垂直晶格c轴时，模型抗剪切变形能力较差，裂纹所在层面会发生错位，模型侧表面会产生阶梯错落形貌，这种阶梯的形成是由于位错传播至模型侧边界并逸出所造成的；
(5)当模型内裂纹演变为孔洞时，孔洞周围四条位错带对模型内的能量吸收区域具有清晰的划分作用，孔洞无法传递载荷作用，因而载荷方向的上下两个区域的势能分布较低且均匀，模型能量缓冲的主要区域为左右两侧，当模型内有上、下两条裂纹分布时，较为接近模型中心的裂纹会率先发生扩张，并持续演变为孔洞，另一条裂纹则处在扩展裂纹产生的低能量区域中，被保护起来，保持稳定。两条裂纹中竞争失败的裂纹会被屏蔽载荷作用，完全失去扩展机会，另外，当且仅当裂纹在演化为孔洞时，会有应变波从孔洞发出，并向四周传播，孔洞形成之后，应变分布较为紊乱；
(6)多晶钛裂纹研究中发现，晶界原子结合能力差，对低温敏感，是材料低温脆化的内在原因，低温下裂纹会沿晶界发生脆性解理，同样由于晶界处的原子结合力低于晶格内原子之间作用力，晶界对于裂纹的扩展走向有着引导作用，裂纹沿着晶间扩展可以使所需打破原子键结合能更低，从而耗费更低的能量，当晶界裂纹一端扩展受阻时，裂尖会向晶粒内发射位错并在后续仿真中沿着位错方向扩展，通过位错发射完成扩展路径的转向，此外，在三叉晶界处，裂纹会选择沿着发生滑动退让的晶粒边界继续扩展，晶粒尺寸越小，模型变形越均匀，孔洞形状也更规则。
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