[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

说明书

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。

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。