外應(yīng)力場下NiAl合金微裂紋動態(tài)擴(kuò)展的分子動力學(xué)模擬

曹莉霞，彭鵬

外應(yīng)力場下NiAl合金微裂紋動態(tài)擴(kuò)展的分子動力學(xué)模擬

曹莉霞1，彭鵬2

（1.中國金屬學(xué)會，北京 100081；2.重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331）

NiAl材料；形變；斷裂；位錯；分子動力學(xué)

NiAl材料的熔點(diǎn)高達(dá)1 638 ℃，密度約為5.9 g/cm3，彈性模量約240 GPa，在1 200 ℃及以上使用時能夠形成保護(hù)性氧化膜，是最具有應(yīng)用前景的高溫材料[1-3]。作為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料，NiAl材料能夠用于制備飛行器推進(jìn)系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)熱端部件[4-5]，該材料還具備優(yōu)異的高溫性能，能夠用于高溫合金零件的防護(hù)涂層中，且熱導(dǎo)率較優(yōu)，是傳統(tǒng)高溫合金的4～8倍[4]。然而，NiAl材料的高溫強(qiáng)度較低、室溫韌性差，這嚴(yán)重阻礙了NiAl材料的應(yīng)用[6-7]。

在鑄造成形或塑性變形過程中，材料內(nèi)部溫度、應(yīng)力場的變化會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋對NiAl材料的成形和服役壽命均有重要影響[8-9]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對NiAl材料中的微裂紋進(jìn)行了相關(guān)研究，其中，黃霞等[10]研究了拉伸載荷下NiAl高溫涂層中微缺陷的變形行為和失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)微裂紋會沿著NiAl晶體的[100]方向擴(kuò)展并導(dǎo)致涂層斷裂，降低NiAl高溫涂層的強(qiáng)度。Michael等[11]研究了NiAl材料在3D打印過程中裂紋的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)裂紋的存在嚴(yán)重影響了材料最終的成形過程。微裂紋的擴(kuò)展與材料強(qiáng)度密切相關(guān)，它直接影響了材料的力學(xué)性質(zhì)。材料的斷裂過程是固體中典型的多尺度現(xiàn)象，材料結(jié)構(gòu)局域效應(yīng)和外部環(huán)境（如溫度和應(yīng)力場等）都會對斷裂過程產(chǎn)生影響。

為進(jìn)一步明確在有一定微觀損傷時NiAl材料裂紋的擴(kuò)展情況，文中擬通過分子動力學(xué)計算，模擬不同類型的晶體取向?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響，研究NiAl材料的形變特點(diǎn)和斷裂機(jī)制，明確不同晶體取向下裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，闡明裂紋擴(kuò)展機(jī)制，建立晶體取向與裂紋擴(kuò)展機(jī)制的對應(yīng)關(guān)系，為研究NiAl材料在使用過程中的損傷和裂紋擴(kuò)展行為提供理論依據(jù)，推動NiAl高溫材料的進(jìn)一步應(yīng)用。

1 模擬方法

1.1 模型構(gòu)建

圖1為模擬中所選原子胞的幾何構(gòu)型，刪除NiAl完整晶格中心位置的4層原子得到初始裂紋，裂尖位于模擬胞的中心。n、n、n分別表示、、這3個方向上的原子層數(shù)，applied表示加載應(yīng)力，應(yīng)力加載方向?yàn)榉较颉?種裂紋模型的晶體取向及其模擬胞的尺寸大小見表1，體系原子總數(shù)為99 600～ 138 200。圖2為4種裂紋模型在晶體中的取向圖，為便于識別，圖2中并未標(biāo)注方向（方向?yàn)?、方向?gòu)成平面的法向），其中1、1代表模型A，2、2代表模型B，3、3代表模型C，4、4代表模型D。

1.2 模擬過程

MD模擬軟件采用開源Lammps軟件，選擇NiAl合金原子嵌入勢作為勢函數(shù)，系綜為NPT系綜。首先用MD方法對初始的NiAl裂紋體系在給定溫度下進(jìn)行弛豫，以達(dá)到平衡狀態(tài)，從而消除在隨后的加載過程中裂尖弛豫產(chǎn)生的表面效應(yīng)的影響。裂紋前沿方向采用周期邊界條件，其他2個方向?yàn)楣潭ㄟ吔鐥l件，即方向?yàn)橹芷谛赃吔?，、方向?yàn)楣潭ㄟ吔?。初始裂紋的裂尖位于模擬胞的中心。裂紋體系在溫度=5 K條件下，用MD方法弛豫5 000步（時間步長為3.5×10?15s）達(dá)到平衡。同樣，每種樣品的斷裂過程也可以通過在相同的溫度和I型加載條件下的MD弛豫過程進(jìn)行模擬。在加載過程中外加應(yīng)力保持不變，模擬共為10 000步，總的模擬時間為5×10?11s。對于一定溫度下的外載作用，模擬樣品被限制于按照運(yùn)動方程來運(yùn)動，直到其宏觀性質(zhì)不再隨著時間的變化而變化。在MD技術(shù)中，原子是在真實(shí)的受力狀態(tài)下運(yùn)動的，所以可以直接觀察并確定材料的斷裂機(jī)制，而不需要做任何的事先假設(shè)。

圖1 模擬胞的幾何構(gòu)型

表1 4種裂紋構(gòu)型的模型參數(shù)

Tab.1 Parameters of four crack models

圖2 4種裂紋模型的晶體取向

為了模擬實(shí)驗(yàn)中的單軸拉伸形變，MD技術(shù)采用了均勻動態(tài)加載方式。裂紋受I型加載，即對選定的方向最上面幾層原子和最下面幾層原子分別加載一個恒力，然后用MD技術(shù)對體系的所有原子進(jìn)行弛豫。方向取自由邊界條件，方向取周期邊界條件，以模擬平面應(yīng)變條件。在分子動力學(xué)中。采用Gear算法求解牛頓運(yùn)動方程，時間步長為3.5×10?15s。在加載過程中保持體系溫度不變，即在MD模擬中經(jīng)過一定步長后，需對原子的速度重新進(jìn)行標(biāo)定以達(dá)到規(guī)定的溫度。

2 裂尖模型在外加載荷下的裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)果

2.1 模型A

2.2 模型B

2.3 模型C

圖３ 模型A中裂尖原子的x[100]–y[010]投影圖

圖４ 模型B中裂尖原子的x[011]–y[01]投影圖

圖５ 模型C中裂尖原子的x[10]–y[010]投影圖

2.4 模型D

圖6 模型D中裂尖原子的x[100]–y[01]投影圖

3 分析與討論

模擬結(jié)果表明，各種取向的裂紋在低溫條件下具有不同的形變特點(diǎn)和斷裂機(jī)制。在外載作用下，NiAl裂紋裂尖的原子反應(yīng)強(qiáng)烈依賴于其裂紋取向（裂紋面及裂紋前沿方向）。模型A和C的裂紋面均為{100}面，模擬結(jié)果表明，在外載作用下，這2種裂紋構(gòu)型表現(xiàn)出一定的塑性，在裂尖處可觀察到位錯的發(fā)射，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到NiAl裂紋中有位錯發(fā)射的現(xiàn)象一致[14-16]。對于(010)[001]裂紋，裂尖前端的(100)面上有[010]位錯發(fā)射；<100>{100}刃型位錯發(fā)射后，不易在{100}面上運(yùn)動，塞積在裂尖附近。位錯的不斷發(fā)射和堆積導(dǎo)致(110)滑移面上出現(xiàn)空洞。對于(010)[101]裂紋，<100>{110}刃型位錯沿滑移面不斷產(chǎn)生并發(fā)射，隨后迅速運(yùn)動離開裂尖。發(fā)射的位錯使裂尖鈍化，阻礙了裂紋的擴(kuò)展。2種裂紋模型裂尖處表現(xiàn)出不一樣的塑性形變特點(diǎn)，這可能歸因于<100>{100}刃型位錯的運(yùn)動性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于<100>{110}刃型位錯的[17-18]。

模型B和D的裂紋面均為{110}面，在模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在外應(yīng)力作用下，裂紋易于脆性解理擴(kuò)展，這與文獻(xiàn)[19]中觀察到NiAl最易在相對密排的{110}面上解理相一致。同時，模擬結(jié)果表明，對于模型A和B，在外力載荷作用下，裂紋前端發(fā)生了馬氏體相變，結(jié)構(gòu)由B2相轉(zhuǎn)變成L10相，而在模型C和D中則沒有看到馬氏體相變的現(xiàn)象。這主要是由于在模型A和B的裂紋體系中，裂紋前沿為<100>方向，包含了{(lán)100}滑移面，原子能在裂紋前端的滑移面上運(yùn)動，誘導(dǎo)產(chǎn)生馬氏體相變[20]。在模型C和D的裂紋體系中，裂紋前沿為<110>方向，它不包含馬氏體相變的基面{100}面，故在裂紋前端不發(fā)生馬氏體相變。

4 結(jié)論

運(yùn)用分子動力學(xué)模擬方法，從原子尺度研究了NiAl中不同晶體取向的裂紋擴(kuò)展動力學(xué)行為，重點(diǎn)分析了裂尖的脆性解理和塑性形變行為。主要結(jié)論如下。

1）NiAl裂紋在外載作用下的裂尖反應(yīng)強(qiáng)烈依賴于其裂紋取向（裂紋面及裂紋前沿方向）。裂紋面為{110}面的裂紋構(gòu)型易于脆性解理擴(kuò)展；裂紋面為{100}面的裂紋構(gòu)型則相對來說具有一定塑性，裂尖處有位錯發(fā)射，可協(xié)調(diào)變形。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報道相一致。

2）裂紋的晶體取向?qū)Πl(fā)射位錯的運(yùn)動能力有一定影響。當(dāng)裂紋面為{100}面、裂紋前沿為<110>方向時，裂尖前端發(fā)射的位錯運(yùn)動能力最強(qiáng)，而在其他裂紋取向中，位錯在裂尖附近不動。

3）裂紋的晶體取向?qū)α鸭獾鸟R氏體相變行為有決定性作用。當(dāng)裂紋前沿為<100>方向、包含了{(lán)100}滑移面時，原子能在裂紋前端的滑移面上運(yùn)動，誘導(dǎo)B2相轉(zhuǎn)變成L10相，產(chǎn)生馬氏體相變。

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Molecular Dynamics Simulation of Micro-crack Propagation in NiAl Alloy under External Stress Field

CAO Li-xia1, PENG Peng2

(1. The Chinese Society for Metals, Beijing 100081, China; 2. School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

NiAl material; deformation; fracture; dislocation; MD

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.021

TG132.3+2

A

1674-6457(2022)07-0150-07

2021–08–23

曹莉霞（1977—），女，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)楦邷睾辖鸱肿觿恿W(xué)模擬。

彭鵬（1990—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)輕合金。

責(zé)任編輯：蔣紅晨