钛铝层合材料拉伸破坏的分子模拟研究

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1、硕士学位论文钛铝层合材料拉伸破坏的分子模拟研究MOLECULARSIMULATIONONTENSILEPROPERTIESOFTITANIUMANDALUMINUMLAMINATE邹天恺哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB331学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开工学硕士学位论文钛铝层合材料拉伸破坏的分子模拟研究博士研究生：邹天恺导师：孙毅教授申请学位：工学硕士学科：固体力学所在单位：航天科学与力学系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB331U.D.C:531Dissertationfor

2、theMasterDegreeinEngineeringMOLECULARSIMULATIONONTENSILEPROPERTIESOFTITANIUMANDALUMINUMLAMINATECandidate：ZouTiankaiSupervisor：Prof.SunYiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：Jun

3、e,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要本文主要研究了钛铝层合复合材料的单轴拉伸力学性能。通过采用分子动力学模拟的方法分析了钛铝各单独材料及其层合材料在单轴拉伸过程中内部位错的演化情况。分析了由于两边添加保护相铝后，钛内部位错演化的改变；以及当保护相铝晶粒尺寸减小时，对钛内部位错演化所造成的影响。为此，本文首先建立了9晶粒的多晶钛模型，以及4晶粒和9晶粒的多晶铝模型。借助Voronoi原理，使模拟盒子被划分为几个不同的晶粒部分，然后再将初始建立好的足够大单晶模板按照一定旋转角

4、投影到各晶粒部分中，逐一完成各晶粒的建模过程。所完成多晶模型形状均为密排方向平行于轧制面的柱状晶，且满足各晶粒在平面方向不联通的条件。对多晶模型进行单轴拉伸模拟，发现拉伸曲线可以很好的表现出材料的塑性阶段，且4晶粒的多晶铝与9晶粒的多晶铝拉伸曲线形状大致相似，表示本文所建立的多晶模型合理。为能够合理分析钛铝单独材料及其层合材料在拉伸过程中位错的演化情况，本文采用了一种参数化方法，先根据模型在拉伸过程每一步中各个晶粒内所有原子所处位置偏离完整晶体时对应原子所应处在位置的距离，得出一个g参数，再通过分析g参数的变化曲线得出总的结构位错在每一步的演化程度。其中对单晶而言，只

5、需对整个模型计算一个g参数；而对多晶而言，需要对每个晶粒分别计算一个g参数。利用g参数分析两种边界条件下单晶铝单轴拉伸的模拟情况，可以发现g参数在结构处于弹性段时基本保持接近零的直线，而当拉伸曲线达到最高点结构失效时则突然发生阶跃，表示此时结构内部有大量位错萌生运动并直接导致结构塑性失稳。利用g参数分析单独4晶粒和9晶粒铝的拉伸破坏情况。发现应变直到15%时，g曲线都基本成平缓上升趋势，没有较大阶跃，这表示铝结构虽然发生塑性变形，但位错并未大量演化，结构仍能继续承载。利用g参数分析单独9晶粒钛的拉伸破坏情况，发现g曲线上升陡峭，且基本在应变达到7%时所有晶粒全部失效，

6、表明钛的塑性性能远差于铝。利用g参数分析当两边层合4晶粒铝后9晶粒钛的拉伸破坏情况，相比钛单独拉伸而言，g曲线有明显变平缓趋势，整体结构的破坏应变推迟到11.3%，表明与保护相铝的层合作用可以显著提升钛的拉伸塑形性能。利用g参数分析当两边层合9晶粒铝后9晶粒钛的拉伸破坏情况，相比之前两边4晶粒铝层合时，钛的拉伸塑形又有一定提高，破坏应变达到13.4%，表明层合结构中保护相为细晶铝时更能提高承载相钛的拉-I-摘要伸塑形性能。关键词：钛铝层合复合材料；分子模拟；多晶建模；位错-II-AbstractAbstractThispapermainlystudiesthetens

7、ilepropertyofTitaniumandAluminumlaminates.Byusingmoleculardynamicssimulationmethods,IhaveanalyzedthepropagationofdislocationsinindividualTitaniumandAluminummaterialsaswellastheirlaminatesduringuniaxialstretchingprocess.IhavealsostudiedtheinfluencesondislocationsinTitaniumwhenit