網站地圖 原創論文網,覆蓋經濟,法律,醫學,建筑,藝術等800余專業,提供60萬篇論文資料免費參考
主要服務:論文發表、論文修改服務,覆蓋專業有:經濟、法律、體育、建筑、土木、管理、英語、藝術、計算機、生物、通訊、社會、文學、農業、企業

布莱顿惊魂在线:研究納米復合材料鎂合金的塑性

來源:原創論文網 添加時間:2019-09-29

布莱顿西服 www.ybzmtt.com.cn 材料學碩士論文精心編輯6篇第六篇:研究納米復合材料鎂合金的塑性

摘要

  鎂(Mg)及其合金由于其低密度而被視為是最輕的結構材料,近幾十年來,它們被廣泛應用于汽車、航空航天等領域,以滿足其輕量化的要求。然而,Mg作為密排六方(hcp)晶體結構的典型例子,可供位錯運動的獨立滑移系數量相對較少,相對于面心立方(fcc)結構金屬而言其室溫時塑性較差,這在一定程度上限制了其應用范圍。因此,尋找一種提高Mg合金塑性的方法,設計一種高性能Mg基復合材料是至關重要的。本文采用分子動力學模擬方法通過在納米多晶Mg中引入非晶相,構成Mg基納米復合材料來增強多晶Mg的塑性,主要內容及結論如下:

 ?。?)研究了非晶顆粒對Mg基納米復合材料變形機制的影響,結果發現引入非晶顆??梢源俳釉誥逑嗪頭薔嘀湫碩?,有效抑制晶界裂紋的形成,明顯提高納米多晶Mg合金的塑性,并且隨著晶粒尺寸的減小,Mg基納米復合材料的變形機制發生變化。其塑性變形首先開始于晶體晶粒中,且隨著晶粒尺寸的減小,晶體晶粒的塑性變形經歷以位錯滑移與拉伸孿晶為主導到以晶界滑移與晶粒旋轉為主導的改變;而非晶顆粒的塑性變形經歷以剪切帶為主導到均勻塑性變形的轉變。另外其塑性變形行為明顯與溫度有關。研究結果表明,隨著晶粒尺寸(或溫度)的降低(或升高),非晶態晶粒在塑性變形中起著更為重要的作用。

 ?。?)研究了非晶結構界面對Mg基納米復合材料變形機制的影響,結果發現隨著非晶結構界面厚度的變化,Mg基納米復合材料的變形機制分為兩種類型:當t<tc時,由于非晶相厚度的限制,非晶相只能承受復合材料的部分塑性變形,在晶體相中依然能夠發現位錯的成核與滑移,復合材料的塑性由非晶相和晶體相共同提供。當t≥tc時,非晶相中的未成熟剪切帶或剪切轉變區在整個復合材料內部形成一個網絡共同傳遞其變形應變,復合材料的塑性僅由非晶相提供,晶體相幾乎不參與其塑性變形。此外,還發現非晶結構界面厚度與晶體相晶粒尺寸的最佳匹配關系是呈線性相關的。

  關鍵詞:納米復合材料;鎂合金;晶粒尺寸;非晶厚度;分子動力學模擬

納米復合材料

Abstract

  Magnesium (Mg) and its alloys are regarded as the lightest structural materials due to their low density. In recent decades, they have been widely used in automobile, aerospace and other fields to achieve the requirements of lightweight. However, as a typical example of hexagonal close-packed (hcp) crystal structure,Mg has a relatively limited number of independent slip systems for dislocation motion. Compared with face-centered cubic (fcc) structure metals, Mg has poor plasticity at room temperature, which limits its application range to some extent. Therefore, it is very crucial to find a method to enhance the plasticity of Mg alloy and to design a high performance Mg-based composite material. In this paper, we enhance the plasticity of polycrystalline Mg by introducing amorphous phase into the nano-polycrystal Mg and forming crystal-amorphous Mg-based nanocomposites used molecular dynamics simulation method. The main contents and conclusions are as follows:

 ?。?) The influence of amorphous grains on the deformation mechanism of the Mg-based nanocomposites was studied. The results indicate that the introduction of amorphous grain can effectively inhibit the formation of grain boundary cracks, improve the plasticity of the nano-polycrystal Mg due to cooperative movement of atoms in crystalline and amorphous phases. The plastic deformation of crystal-amorphous Mg-based nanocomposites begins in crystalline grains. With the decrease of grain size, the plastic deformation of crystal phase in Mg-based nanocomposites change from the nucleation of dislocations and growth of tensile twins to the grain boundaries glide and grains rotation, and the plastic deformation mode of amorphous phase change from the shear band dominated deformation to the homogeneous plastic deformation. The results also show that the deformation behavior of nanocomposites obviously depends on temperature, and the amorphous grain plays a more and more important role during plastic deformation of Mg-based nanocomposites with the decrease (or increase) of grain size (or temperature)。

 ?。?) The effect of amorphous structure interface on the mechanical behavior of the Mg-based nanocomposites was explored. The results show that two different deformation mechanisms of the Mg-based nanocomposites occur depending on amorphous thickness (t)。 There is a critical amorphous thickness (tc) for each sample to achieve nearly perfect plasticity, regardless of crystalline phase size (d)。 When t < tc, amorphous phase can only bear part of plastic deformation of composite material due to the limitation of the thickness of amorphous phase, the plasticity of the Mg-based nanocomposites is provided by amorphous and crystalline phase. However, the plasticity is provided only by amorphous phase, the crystalline phase hardly participates in plastic deformation when t ≥ tc. The results also indicate that the optimal matching relationship between d and tc is linear.

  Key words: Nano composite materials; Mg alloys; Grain size; Amorphous thickness; The molecular dynamics simulation

目 錄

  第一章緒論

  1.1研究背景

  近幾十年來,汽車、航空和航天領域對材料的要求越來越輕量化以提高燃油效率和減少尾氣排放,滿足節約資源和?;せ肪車幕疽?。而鎂(Mg)及其合金由于其低密度被視為是最輕的結構材料,成為能夠減輕構件重量的主要候選材料,并且我國Mg資源豐富,儲量位居世界第一,因此Mg合金具有廣闊的應用前景和巨大的潛力。目前,Mg及其合金已被廣泛應用于汽車、航空航天、電子、生物醫學等各個領域[1-5].然而,Mg作為密排六方(hcp)晶體結構的典型例子,相對于面心立方(fcc)結構金屬而言,其可供位錯運動的獨立滑移系數量相對較少,室溫時塑性較差,易出現變形缺陷,這在一定程度上限制了其應用范圍[6,7].因此,尋找一種提高Mg合金塑性的方法,設計一種超高性能Mg合金材料是至關重要并具有實際價值的。本文通過在納米多晶Mg中引入非晶相,構成Mg基納米復合材料來增強多晶Mg的塑性,并用分子動力學模擬的方法研究該Mg基納米復合材料的變形機制與力學性能,為非晶相增強納米多晶Mg的塑性提供理論依據,揭示其增強機制,對設計高性能的Mg基復合材料有一定的指導意義。

  1.2國內外研究現狀

  眾所周知,晶粒細化是金屬及其合金獲得高強度和高塑性優異力學性能的一種有效途徑[8],這是因為晶界在多晶體材料的塑性變形過程中起著重要作用,首先晶界是多晶體材料自身存在的缺陷,容易導致應力集中,在多晶體變形過程中給位錯的提供了成核點,而當位錯滑移到另一個晶界處時,晶界會對位錯滑移產生阻礙作用,使得位錯在晶界處塞積造成應力集中,進而激活鄰近晶粒中的位錯滑移,隨著晶粒尺寸的減小,晶界增多,位錯成核點增多,并且晶界的阻礙作用也增強,綜合作用下使材料的強度和塑性都得到提升。

  這種方法同樣被用于增強Mg及其合金的力學性能,Shi等人[9]的研究表明,隨著晶粒尺寸的減小,Mg合金表現出良好的Hall-Petch關系。Guo等人[10]的研究發現,室溫下當晶粒尺寸小于15μm時,AZ31Mg合金會表現出較好的延性。Song等人[11]通過分子動力學模擬方法研究發現,對于納米多晶Mg,晶粒尺寸較大時,在晶界的三叉交點處會出現晶界裂紋,導致平均流動應力下跌;隨著晶粒尺寸的減小,多晶體中雖然沒有出現晶界裂紋,但其平均流動應力呈現了反Hall-Petch關系,其強度有稍微的下降。這說明晶粒細化不能滿足對超高性能Mg合金材料的要求。

  此外,從增強Mg合金的塑性方面考慮,加入合金元素也可以提高其力學性能[12-15].

  Ding等人[14]的研究發現,用稀土元素Y合金化Mg后可以激活Mg中的錐面<c+a>位錯的滑移系,使其產生更多的位錯滑移,從而提高Mg在室溫下的塑性。Tang等人[15]通過向純Mg中添加Gd、Y和Gd-Y合金元素,證明了添加Gd和Y合金元素會降低Mg合金的抗滑移能力,從而提高其塑性;添加Gd-Y合金元素的Mg合金通過Mg與合金原子間的電荷轉移而同時增強其強度和塑性。然而,稀土元素對材料的修飾方式仍是一個非常難以捉摸的問題,至今在文獻中還沒有就驅動機制達成共識[13].

  另外,控制界面結構也是提高材料性能的一種重要途徑,界面是傳遞材料力學性能的橋梁,界面的結構和性能往往是影響材料塑性、強度和變形機制的主要因素。孿晶在hcpMg的變形過程中起著重要的作用,Li等人[16]的研究發現,在Mg中,孿晶傳播主要發生在低角度晶界,而高角度晶界對孿晶傳播起阻礙作用。Song等人[17]研究了孿晶間距對納米孿晶Mg變形機制的影響,結果發現,隨著孿晶間距的減小納米孿晶Mg的變形機制有一個明顯的轉變。Song等人[18]還研究了堆垛層錯對納米多晶Mg變形機制的影響,發現在晶粒中引入堆垛層錯能夠有效地提高納米多晶Mg的屈服應力,而對楊氏模量的影響很小。界面和界面內原子的運動在幾乎所有材料的加工和性能方面起著至關重要的作用,然而,界面的結構和性質是非常復雜的,隨著對界面的認識加深,對界面的研究也不僅限于同種材料形成的界面,Xiang等人[19]研究了半相干Cu-Ni多層膜的沖擊塑性,并探討了晶格和錯配位錯之間的相互作用。此外還可以將界面看作是一個獨立的相,通過改變界面的結構和性能,從而使材料性能達到以前無法實現的水平,這就是"界面修飾工程"[20,21].Pan等人[22]

  將納米結構與界面修飾結合起來,通過粉末冶金技術制備獨特的銅鋯合金,顯示了傳統銅合金所沒有的強度和延展性的結合。

  近年來,由于非晶合金兼具金屬和玻璃的特性而成為研究熱點。非晶合金,也被稱為金屬玻璃(MGs),由于其具有優異的性能如機械、物理、化學特性等,在許多領域得到了應用[23,24].晶體材料中,原子的排列是規則的,具有周期性的,并且其結構是長程有序的,而MGs的原子排列是短程有序長程無序的。所以與晶體材料以位錯滑移和孿晶為主的塑性變形方式不同,MGs主要通過局部原子重排實現塑性變形,與剪切轉變區(STZs)的形成有關。一旦MGs達到屈服,進入塑性變形階段,STZs會在一個狹窄的區域內快速連接形成剪切帶(SB)[25,26].非晶材料的力學性能也與界面有關,非晶-非晶界面可以通過抑制剪切帶的傳播,防止其突然的災難性的斷裂來提高其延性[27,28].由MGs顆粒以及網狀的非晶/非晶界面組成的類多晶結構被稱為"納米玻璃",隨著顆粒尺寸的減小,納米玻璃的塑性顯著增強,當納米玻璃的顆粒尺寸減小到臨界尺寸以下時,會發生均勻的超塑性流動行為[27,28].這是由于非晶/非晶界面的存在,增加了STZs的成核點并阻礙了單一SB的形成與傳播。研究還表明在MGs中引入晶體相也可以顯著提高MGs的塑性[29,30],非晶-晶體界面(ACI)也可以通過抑制剪切帶的傳播來促進非晶材料的塑性[30-32],并且晶體/非晶復合材料表現出高的強度和延展性的結合。目前,ACI正在變得像晶體-晶體界面(CCI)一樣普遍。其他模擬[33]和實驗[34]研究還表明,ACI不僅可以作為MGs的增韌結構,也可以作為晶體材料的增韌結構。非晶相可以在不改變自身結構的情況下吸收位錯,在非晶-晶體復合材料的變形過程中,非晶相既可以作為吸收位錯的源,也可以作為發射位錯的源[35],同時,晶體相也可能阻礙非晶相剪切帶的快速生長,最終達到相對高強度,高塑性的結合。Wang等人[34]研究了晶體/非晶納米層制品的變形行為,并指出CuZr非晶相的引入可以提高Cu的拉伸延展性。這可以作為fcc晶體中引入非晶相可以改善材料力學性能的證據,那么,在hcp金屬中引入非晶相是否能同樣改善其力學性能呢?基于這個思考,Song等人[36]在2015年首先提出了一種雙相納米結構模型來提高Mg的塑性。結果表明,引入非晶相可以提高納米多晶Mg的塑性。當非晶相厚度為5.2nm及以上時,由于晶體相與非晶相之間的協同變形,塑性變形過程中出現了優異的拉伸延性和近乎完美的塑性流動行為。隨后Wu等人[37]利用磁控濺射方法制備了一種非晶/納米晶雙相結構的高強度Mg合金。

  該結構的強度接近理想的3.3GPa.其硬度達到6.5GPa,高于大多數Mg基金屬薄膜。這些研究表明引入非晶相和ACI也能夠提高金屬材料的力學性能。這也為提高Mg基復合材料的力學性能提供了一個新的方向,是否可以通過合理控制非晶相與晶相的相互作用使其實現高塑性?然而,目前對雙相Mg合金的變形機制仍知之甚少的。本文主要研究在納米多晶Mg中引入非晶顆?;蚍薔Ы峁菇緱婧蠊鉤傻腗g基納米復合材料的變形機制和力學性能,試圖為設計高性能的Mg基復合材料提供一定的理論依據和早期指導。

  1.3本文主要研究內容

  在本文中,主要通過在納米多晶Mg中引入非晶顆?;蚍薔Ы峁菇緱?,構成Mg基納米復合材料來增強多晶Mg的塑性,采用分子動力學模擬方法研究晶粒尺寸、非晶厚度、溫度等對Mg基納米復合材料拉伸載荷下的變形機制與力學性能的影響。相應的研究目的,研究方法,研究結果及分析等分別在本文第一章到第五章給出。

  第一章主要介紹本文的研究背景、目的及意義,概述了增強材料力學性能方法的國內外研究現狀,以及本文研究的主要內容。

  第二章主要介紹了本文所用的研究方法分子動力學模擬方法,包括其基本原理及流程、常用勢函數、力的計算、牛頓運動方程的求解、系綜、溫度的控制方法和邊界條件的概念等。并介紹了對模擬結果進行分析時使用的軟件和分析方法,給出了非晶的構建過程。

  第三章采用分子動力學模擬方法研究了非晶顆粒對Mg基納米復合材料拉伸載荷下力學性能和變形機制的影響。分析了非晶顆粒的引入對納米多晶Mg變形機制和力學性能的影響;研究了晶粒尺寸和溫度對Mg基納米復合材料變形機制的影響。

  第四章采用分子動力學模擬方法研究了非晶結構界面對Mg基納米復合材料拉伸載荷下力學性能和變形機制的影響。分析了非晶結構界面的引入對納米多晶Mg變形機制和力學性能的影響;研究了非晶結構界面厚度和晶體晶粒尺寸對Mg基納米復合材料變形機制的影響;探索了非晶結構界面和晶體晶粒的最佳尺寸匹配關系。

  第五章對本文的研究工作進行了總結,并對后續的研究工作進行了合理的展望。

【由于本篇文章為碩士論文,如需全文請點擊底部下載全文鏈接】

  第二章 研究方法
  2.1 分子動力學模擬簡介
  2.2 分子動力學模擬的基本原理及流程
  2.2.1 勢函數的選擇
  2.2.2 力的計算

  2.2.3 牛頓運動方程的求解
  2.2.4 系綜的設定
  2.2.5 溫度的控制方法
  2.2.6 邊界條件的設定

  2.3 研究中用到的軟件與分析方法
  2.4 非晶 MgAl 模型的建立
  2.5 本章小結

  第三章 非晶顆粒對鎂基納米復合材料變形機制的影響
  3.1 引言
  3.2 模型的構建
  3.3 模擬結果分析

  3.3.1 非晶顆粒對鎂合金變形機制的影響
  3.3.2 晶粒尺寸對鎂合金變形機制的影響
  3.3.2 溫度對鎂合金變形機制的影響
  3.4 本章小結

  第四章 非晶結構界面對鎂基納米復合材料變形機制的影響
  4.1 引言
  4.2 模型的構建

  4.3 模擬結果分析
  4.3.1 非晶相尺寸對鎂合金變形機制的影響
  4.3.2 臨界非晶厚度前后變形機制的改變
  4.3.3 非晶相和晶體相的最佳匹配關系
  4.4 本章小結

第五章總結與展望

  5.1本文研究

  工作的總結本文主要通過在納米多晶Mg中引入非晶顆?;蚍薔Ы峁菇緱?,構成Mg基納米復合材料來增強多晶Mg的塑性,采用分子動力學模擬方法研究晶粒尺寸、非晶厚度、溫度等對Mg基納米復合材料拉伸載荷下的變形機制與力學性能的影響,為非晶相增強納米多晶Mg的塑性提供理論依據,揭示其增強機制,對設計高性能的Mg基復合材料有一定的指導意義。通過研究本文得到的主要結論如下:

 ?。?)引入非晶顆??梢悅饗蘊岣吣擅錐嗑g合金的塑性。在Mg-MgAl復合材料變形過程中,非晶顆??梢源俳寰ЯV謝嫖淮硨橢嫖淮淼某珊思盎?。長程無序的非晶結構具有各向同性,能夠適應原子在不同方向的運動和重排,原子在晶體相和非晶相之間的協同運動可以有效地抑制Mg-MgAl納米復合材料在塑性變形過程中的晶界開裂。

 ?。?)隨著晶粒尺寸的減小,Mg-MgAl納米復合材料的楊氏模量基本不變,但試樣的變形機理不同。Mg-MgAl納米復合材料的塑性變形首先開始于晶體晶粒中,且其變形機理與納米多晶Mg類似;隨著晶粒尺寸的減小,晶體晶粒的塑性變形經歷以位錯滑移與拉伸孿晶為主導到以晶界滑移與晶粒旋轉為主導的改變。而非晶顆粒的塑性變形經歷以剪切帶為主導到均勻塑性變形的轉變,并且非晶顆粒在塑性變形中起著更為重要的作用。

 ?。?)Mg-MgAl復合材料的塑性變形行為明顯與溫度有關。溫度升高,晶體相中孿晶更容易成核,非晶顆粒在復合材料的塑性變形中起著更重要的作用。

 ?。?)引入非晶結構界面后,隨著非晶厚度的減小雙相納米Mg合金的變形機理分為兩種類型:非晶相提供全部塑性及非晶相和晶體相共同提供塑性。

 ?。?)當t<tc時,由于非晶相厚度的限制,非晶相只能承受部分塑性變形,而不是全部塑性變形,位錯的成核和滑移都發生在晶體相中,塑性由非晶相和晶體相共同提供。當t≥tc時,非晶相中的未成熟剪切帶或剪切轉換帶在整個試樣內部形成一個網絡共同傳遞其變形應變,其塑性僅由非晶相提供,晶體相幾乎不參與塑性變形。

 ?。?)非晶相厚度與晶體相晶粒尺寸的最佳匹配關系在一定范圍內是呈線性關系的。

  5.2未來研究工作的展望

  本文主要通過在納米多晶Mg中引入非晶顆?;蚍薔Ы峁菇緱?,構成Mg基納米復合材料來增強多晶Mg的塑性,研究了晶粒尺寸、非晶厚度、溫度等對Mg基納米復合材料拉伸載荷下的變形機制與力學性能的影響。未來,可以從以下幾個方面繼續進行研究:

 ?。?)結合實驗方法及宏觀表征,進一步研究Mg基納米復合材料的力學性能及變形機制;(2)針對引入非晶顆粒的Mg基納米復合材料,擴大研究尺度研究非晶顆粒隨機分布時引入非晶顆粒的比例對其的力學性能及變形機制的影響;(3)針對引入非晶結構界面的Mg基納米復合材料,研究晶體晶粒中的空位,位錯,堆垛層錯,孿晶等晶體缺陷對其力學性能及變形機制的影響;(4)系統研究不同加載方式(例如壓縮或疲勞加載)下Mg基納米復合材料的微觀變形機制。

  致 謝
  參考文獻

【由于碩士論文篇幅較長,此頁面不展示全文,如需全文,請點擊下方下載全文鏈接】


上一篇:分析不同環境下N80鋼和20#鋼的腐蝕行為
下一篇:沒有了
重要提示:轉載本站信息須注明來源:原創論文網,具體權責及聲明請參閱網站聲明。
閱讀提示:請自行判斷信息的真實性及觀點的正誤,本站概不負責。