[发明专利]一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法

权利要求书

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。