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研究纳米复合材料镁合金的塑性

来源:原创论文网 添加时间:2019-09-29

材料学硕士论文精心编辑6篇第六篇:研究纳米复合材料镁合金的塑性

摘要

  镁(Mg)及其合金由于其低密度而被视为是最轻的结构材料,近几十年来,它们被广泛应用于汽车、航空航天等领域,以满足其轻量化的要求。然而,Mg作为密排六方(hcp)晶体结构的典型例子,可供位错运动的独立滑移系数量相对较少,相对于面心立方(fcc)结构金属而言其室温时塑性较差,这在一定程度上限制了其应用范围。因此,寻找一种提高Mg合金塑性的方法,设计一种高性能Mg基复合材料是至关重要的。本文采用分子动力学模拟方法通过在纳米多晶Mg中引入非晶相,构成Mg基纳米复合材料来增强多晶Mg的塑性,主要内容及结论如下:

  (1)研究了非晶颗粒对Mg基纳米复合材料变形机制的影响,结果发现引入非晶颗粒可以促进原子在晶体相和非晶相之间协同运动,有效抑制晶界裂纹的形成,明显提高纳米多晶Mg合金的塑性,并且随着晶粒尺寸的减小,Mg基纳米复合材料的变形机制发生变化。其塑性变形首先开始于晶体晶粒中,且随着晶粒尺寸的减小,晶体晶粒的塑性变形经历以位错滑移与拉伸孪晶为主导到以晶界滑移与晶粒旋转为主导的改变;而非晶颗粒的塑性变形经历以剪切带为主导到均匀塑性变形的转变。另外其塑性变形行为明显与温度有关。研究结果表明,随着晶粒尺寸(或温度)的降低(或升高),非晶态晶粒在塑性变形中起着更为重要的作用。

  (2)研究了非晶结构界面对Mg基纳米复合材料变形机制的影响,结果发现随着非晶结构界面厚度的变化,Mg基纳米复合材料的变形机制分为两种类型:当t<tc时,由于非晶相厚度的限制,非晶相只能承受复合材料的部分塑性变形,在晶体相中依然能够发现位错的成核与滑移,复合材料的塑性由非晶相和晶体相共同提供。当t≥tc时,非晶相中的未成熟剪切带或剪切转变区在整个复合材料内部形成一个网络共同传递其变形应变,复合材料的塑性仅由非晶相提供,晶体相几乎不参与其塑性变形。此外,还发现非晶结构界面厚度与晶体相晶粒尺寸的最佳匹配关系是呈线性相关的。

  关键词:纳米复合材料;镁合金;晶粒尺寸;非晶厚度;分子动力学模拟

纳米复合材料

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:

  (1) 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)。

  (2) 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 录

  第一章绪论

  1.1研究背景

  近几十年来,汽车、航空和航天领域对材料的要求越来越轻量化以提高燃油效率和减少尾气排放,满足节约资源和保护环境的基本要求。而镁(Mg)及其合金由于其低密度被视为是最轻的结构材料,成为能够减轻构件重量的主要候选材料,并且我国Mg资源丰富,储量位居世界第一,因此Mg合金具有广阔的应用前景和巨大的潜力。目前,Mg及其合金已被广泛应用于汽车、航空航天、电子、生物医学等各个领域[1-5].然而,Mg作为密排六方(hcp)晶体结构的典型例子,相对于面心立方(fcc)结构金属而言,其可供位错运动的独立滑移系数量相对较少,室温时塑性较差,易出现变形缺陷,这在一定程度上限制了其应用范围[6,7].因此,寻找一种提高Mg合金塑性的方法,设计一种超高性能Mg合金材料是至关重要并具有实际价值的。本文通过在纳米多晶Mg中引入非晶相,构成Mg基纳米复合材料来增强多晶Mg的塑性,并用分子动力学模拟的方法研究该Mg基纳米复合材料的变形机制与力学性能,为非晶相增强纳米多晶Mg的塑性提供理论依据,揭示其增强机制,对设计高性能的Mg基复合材料有一定的指导意义。

  1.2国内外研究现状

  众所周知,晶粒细化是金属及其合金获得高强度和高塑性优异力学性能的一种有效途径[8],这是因为晶界在多晶体材料的塑性变形过程中起着重要作用,首先晶界是多晶体材料自身存在的缺陷,容易导致应力集中,在多晶体变形过程中给位错的提供了成核点,而当位错滑移到另一个晶界处时,晶界会对位错滑移产生阻碍作用,使得位错在晶界处塞积造成应力集中,进而激活邻近晶粒中的位错滑移,随着晶粒尺寸的减小,晶界增多,位错成核点增多,并且晶界的阻碍作用也增强,综合作用下使材料的强度和塑性都得到提升。

  这种方法同样被用于增强Mg及其合金的力学性能,Shi等人[9]的研究表明,随着晶粒尺寸的减小,Mg合金表现出良好的Hall-Petch关系。Guo等人[10]的研究发现,室温下当晶粒尺寸小于15μm时,AZ31Mg合金会表现出较好的延性。Song等人[11]通过分子动力学模拟方法研究发现,对于纳米多晶Mg,晶粒尺寸较大时,在晶界的三叉交点处会出现晶界裂纹,导致平均流动应力下跌;随着晶粒尺寸的减小,多晶体中虽然没有出现晶界裂纹,但其平均流动应力呈现了反Hall-Petch关系,其强度有稍微的下降。这说明晶粒细化不能满足对超高性能Mg合金材料的要求。

  此外,从增强Mg合金的塑性方面考虑,加入合金元素也可以提高其力学性能[12-15].

  Ding等人[14]的研究发现,用稀土元素Y合金化Mg后可以激活Mg中的锥面<c+a>位错的滑移系,使其产生更多的位错滑移,从而提高Mg在室温下的塑性。Tang等人[15]通过向纯Mg中添加Gd、Y和Gd-Y合金元素,证明了添加Gd和Y合金元素会降低Mg合金的抗滑移能力,从而提高其塑性;添加Gd-Y合金元素的Mg合金通过Mg与合金原子间的电荷转移而同时增强其强度和塑性。然而,稀土元素对材料的修饰方式仍是一个非常难以捉摸的问题,至今在文献中还没有就驱动机制达成共识[13].

  另外,控制界面结构也是提高材料性能的一种重要途径,界面是传递材料力学性能的桥梁,界面的结构和性能往往是影响材料塑性、强度和变形机制的主要因素。孪晶在hcpMg的变形过程中起着重要的作用,Li等人[16]的研究发现,在Mg中,孪晶传播主要发生在低角度晶界,而高角度晶界对孪晶传播起阻碍作用。Song等人[17]研究了孪晶间距对纳米孪晶Mg变形机制的影响,结果发现,随着孪晶间距的减小纳米孪晶Mg的变形机制有一个明显的转变。Song等人[18]还研究了堆垛层错对纳米多晶Mg变形机制的影响,发现在晶粒中引入堆垛层错能够有效地提高纳米多晶Mg的屈服应力,而对杨氏模量的影响很小。界面和界面内原子的运动在几乎所有材料的加工和性能方面起着至关重要的作用,然而,界面的结构和性质是非常复杂的,随着对界面的认识加深,对界面的研究也不仅限于同种材料形成的界面,Xiang等人[19]研究了半相干Cu-Ni多层膜的冲击塑性,并探讨了晶格和错配位错之间的相互作用。此外还可以将界面看作是一个独立的相,通过改变界面的结构和性能,从而使材料性能达到以前无法实现的水平,这就是"界面修饰工程"[20,21].Pan等人[22]

  将纳米结构与界面修饰结合起来,通过粉末冶金技术制备独特的铜锆合金,显示了传统铜合金所没有的强度和延展性的结合。

  近年来,由于非晶合金兼具金属和玻璃的特性而成为研究热点。非晶合金,也被称为金属玻璃(MGs),由于其具有优异的性能如机械、物理、化学特性等,在许多领域得到了应用[23,24].晶体材料中,原子的排列是规则的,具有周期性的,并且其结构是长程有序的,而MGs的原子排列是短程有序长程无序的。所以与晶体材料以位错滑移和孪晶为主的塑性变形方式不同,MGs主要通过局部原子重排实现塑性变形,与剪切转变区(STZs)的形成有关。一旦MGs达到屈服,进入塑性变形阶段,STZs会在一个狭窄的区域内快速连接形成剪切带(SB)[25,26].非晶材料的力学性能也与界面有关,非晶-非晶界面可以通过抑制剪切带的传播,防止其突然的灾难性的断裂来提高其延性[27,28].由MGs颗粒以及网状的非晶/非晶界面组成的类多晶结构被称为"纳米玻璃",随着颗粒尺寸的减小,纳米玻璃的塑性显著增强,当纳米玻璃的颗粒尺寸减小到临界尺寸以下时,会发生均匀的超塑性流动行为[27,28].这是由于非晶/非晶界面的存在,增加了STZs的成核点并阻碍了单一SB的形成与传播。研究还表明在MGs中引入晶体相也可以显著提高MGs的塑性[29,30],非晶-晶体界面(ACI)也可以通过抑制剪切带的传播来促进非晶材料的塑性[30-32],并且晶体/非晶复合材料表现出高的强度和延展性的结合。目前,ACI正在变得像晶体-晶体界面(CCI)一样普遍。其他模拟[33]和实验[34]研究还表明,ACI不仅可以作为MGs的增韧结构,也可以作为晶体材料的增韧结构。非晶相可以在不改变自身结构的情况下吸收位错,在非晶-晶体复合材料的变形过程中,非晶相既可以作为吸收位错的源,也可以作为发射位错的源[35],同时,晶体相也可能阻碍非晶相剪切带的快速生长,最终达到相对高强度,高塑性的结合。Wang等人[34]研究了晶体/非晶纳米层制品的变形行为,并指出CuZr非晶相的引入可以提高Cu的拉伸延展性。这可以作为fcc晶体中引入非晶相可以改善材料力学性能的证据,那么,在hcp金属中引入非晶相是否能同样改善其力学性能呢?基于这个思考,Song等人[36]在2015年首先提出了一种双相纳米结构模型来提高Mg的塑性。结果表明,引入非晶相可以提高纳米多晶Mg的塑性。当非晶相厚度为5.2nm及以上时,由于晶体相与非晶相之间的协同变形,塑性变形过程中出现了优异的拉伸延性和近乎完美的塑性流动行为。随后Wu等人[37]利用磁控溅射方法制备了一种非晶/纳米晶双相结构的高强度Mg合金。

  该结构的强度接近理想的3.3GPa.其硬度达到6.5GPa,高于大多数Mg基金属薄膜。这些研究表明引入非晶相和ACI也能够提高金属材料的力学性能。这也为提高Mg基复合材料的力学性能提供了一个新的方向,是否可以通过合理控制非晶相与晶相的相互作用使其实现高塑性?然而,目前对双相Mg合金的变形机制仍知之甚少的。本文主要研究在纳米多晶Mg中引入非晶颗粒或非晶结构界面后构成的Mg基纳米复合材料的变形机制和力学性能,试图为设计高性能的Mg基复合材料提供一定的理论依据和早期指导。

  1.3本文主要研究内容

  在本文中,主要通过在纳米多晶Mg中引入非晶颗粒或非晶结构界面,构成Mg基纳米复合材料来增强多晶Mg的塑性,采用分子动力学模拟方法研究晶粒尺寸、非晶厚度、温度等对Mg基纳米复合材料拉伸载荷下的变形机制与力学性能的影响。相应的研究目的,研究方法,研究结果及分析等分别在本文第一章到第五章给出。

  第一章主要介绍本文的研究背景、目的及意义,概述了增强材料力学性能方法的国内外研究现状,以及本文研究的主要内容。

  第二章主要介绍了本文所用的研究方法分子动力学模拟方法,包括其基本原理及流程、常用势函数、力的计算、牛顿运动方程的求解、系综、温度的控制方法和边界条件的概念等。并介绍了对模拟结果进行分析时使用的软件和分析方法,给出了非晶的构建过程。

  第三章采用分子动力学模拟方法研究了非晶颗粒对Mg基纳米复合材料拉伸载荷下力学性能和变形机制的影响。分析了非晶颗粒的引入对纳米多晶Mg变形机制和力学性能的影响;研究了晶粒尺寸和温度对Mg基纳米复合材料变形机制的影响。

  第四章采用分子动力学模拟方法研究了非晶结构界面对Mg基纳米复合材料拉伸载荷下力学性能和变形机制的影响。分析了非晶结构界面的引入对纳米多晶Mg变形机制和力学性能的影响;研究了非晶结构界面厚度和晶体晶粒尺寸对Mg基纳米复合材料变形机制的影响;探索了非晶结构界面和晶体晶粒的最佳尺寸匹配关系。

  第五章对本文的研究工作进行了总结,并对后续的研究工作进行了合理的展望。

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  第二章 研究方法
  2.1 分子动力学模拟简介
  2.2 分子动力学模拟的基本原理及流程
  2.2.1 势函数的选择
  2.2.2 力的计算

  2.2.3 牛顿运动方程的求解
  2.2.4 系综的设定
  2.2.5 温度的控制方法
  2.2.6 边界条件的设定

  2.3 研究中用到的软件与分析方法
  2.4 非晶 MgAl 模型的建立
  2.5 本章小结

  第三章 非晶颗粒对镁基纳米复合材料变形机制的影响
  3.1 引言
  3.2 模型的构建
  3.3 模拟结果分析

  3.3.1 非晶颗粒对镁合金变形机制的影响
  3.3.2 晶粒尺寸对镁合金变形机制的影响
  3.3.2 温度对镁合金变形机制的影响
  3.4 本章小结

  第四章 非晶结构界面对镁基纳米复合材料变形机制的影响
  4.1 引言
  4.2 模型的构建

  4.3 模拟结果分析
  4.3.1 非晶相尺寸对镁合金变形机制的影响
  4.3.2 临界非晶厚度前后变形机制的改变
  4.3.3 非晶相和晶体相的最佳匹配关系
  4.4 本章小结

第五章总结与展望

  5.1本文研究

  工作的总结本文主要通过在纳米多晶Mg中引入非晶颗粒或非晶结构界面,构成Mg基纳米复合材料来增强多晶Mg的塑性,采用分子动力学模拟方法研究晶粒尺寸、非晶厚度、温度等对Mg基纳米复合材料拉伸载荷下的变形机制与力学性能的影响,为非晶相增强纳米多晶Mg的塑性提供理论依据,揭示其增强机制,对设计高性能的Mg基复合材料有一定的指导意义。通过研究本文得到的主要结论如下:

  (1)引入非晶颗粒可以明显提高纳米多晶Mg合金的塑性。在Mg-MgAl复合材料变形过程中,非晶颗粒可以促进晶体晶粒中基面位错和柱面位错的成核及滑移。长程无序的非晶结构具有各向同性,能够适应原子在不同方向的运动和重排,原子在晶体相和非晶相之间的协同运动可以有效地抑制Mg-MgAl纳米复合材料在塑性变形过程中的晶界开裂。

  (2)随着晶粒尺寸的减小,Mg-MgAl纳米复合材料的杨氏模量基本不变,但试样的变形机理不同。Mg-MgAl纳米复合材料的塑性变形首先开始于晶体晶粒中,且其变形机理与纳米多晶Mg类似;随着晶粒尺寸的减小,晶体晶粒的塑性变形经历以位错滑移与拉伸孪晶为主导到以晶界滑移与晶粒旋转为主导的改变。而非晶颗粒的塑性变形经历以剪切带为主导到均匀塑性变形的转变,并且非晶颗粒在塑性变形中起着更为重要的作用。

  (3)Mg-MgAl复合材料的塑性变形行为明显与温度有关。温度升高,晶体相中孪晶更容易成核,非晶颗粒在复合材料的塑性变形中起着更重要的作用。

  (4)引入非晶结构界面后,随着非晶厚度的减小双相纳米Mg合金的变形机理分为两种类型:非晶相提供全部塑性及非晶相和晶体相共同提供塑性。

  (5)当t<tc时,由于非晶相厚度的限制,非晶相只能承受部分塑性变形,而不是全部塑性变形,位错的成核和滑移都发生在晶体相中,塑性由非晶相和晶体相共同提供。当t≥tc时,非晶相中的未成熟剪切带或剪切转换带在整个试样内部形成一个网络共同传递其变形应变,其塑性仅由非晶相提供,晶体相几乎不参与塑性变形。

  (6)非晶相厚度与晶体相晶粒尺寸的最佳匹配关系在一定范围内是呈线性关系的。

  5.2未来研究工作的展望

  本文主要通过在纳米多晶Mg中引入非晶颗粒或非晶结构界面,构成Mg基纳米复合材料来增强多晶Mg的塑性,研究了晶粒尺寸、非晶厚度、温度等对Mg基纳米复合材料拉伸载荷下的变形机制与力学性能的影响。未来,可以从以下几个方面继续进行研究:

  (1)结合实验方法及宏观表征,进一步研究Mg基纳米复合材料的力学性能及变形机制;(2)针对引入非晶颗粒的Mg基纳米复合材料,扩大研究尺度研究非晶颗粒随机分布时引入非晶颗粒的比例对其的力学性能及变形机制的影响;(3)针对引入非晶结构界面的Mg基纳米复合材料,研究晶体晶粒中的空位,位错,堆垛层错,孪晶等晶体缺陷对其力学性能及变形机制的影响;(4)系统研究不同加载方式(例如压缩或疲劳加载)下Mg基纳米复合材料的微观变形机制。

  致 谢
  参考文献

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