镍基微叠层复合材料冲击诱导塑性变形机理原子尺度研究

作     者：郝俊辉 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘斌;王宇;苏红文

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：镍基微叠层复合材料 冲击波 微观塑性变形 位错反应 分子动力学模拟 

摘      要：金属基微叠层复合材料韧性层和脆性层协同作用,综合性能优异,可设计性强应用广泛。镍基微叠层复合材料凭借轻质、高强高韧、耐高温和抗冲击替代航空航天、国防军工和汽车工业等关键领域战略高温结构材料,对航空发动机涡轮叶片、超声速飞行器进气道、微纳米点火器件和药形罩等重要部件起保障作用。本文借助分子动力学开展Ni/Al微叠层复合材料和Ni/NiAl微叠层复合材料冲击诱导塑性变形研究,首先结合阻抗匹配理论合理解释冲击波前沿由界面反射引起“反射卸载和“反射加载的特征波形分布,其次揭示冲击波剖面分量不连续性和弹塑性不匹配之间内在关联,最后分析异质材料界面原子排布结构和冲击诱导塑性变形行为、位错反应机制以及伴随结构相变,为镍基微叠层复合材料抗冲击结构设计提供理论依据,得出结论有:Ni/Al和Ni/NiAl微叠层复合材料500 m/s冲击速度下界面反射导致P“反射卸载和“反射加载,其中,Ni-Al反射卸载,Al-Ni反射加载;Ni-NiAl反射卸载,NiAl-Ni反射加载。阻抗匹配理论(Z Z Z)计算和模拟结果如下:Ni-Al反射波的计算和模拟强度分别为10.26 GPa和9.33 GPa,Al-Ni透射波的计算和模拟强度分别为20.66GPa和19.64 GPa;Ni-NiAl反射波强度1.43 GPa,模拟结果1.7 GPa,NiAl-Ni透射波强度24.25 GPa,模拟数值24.02 GPa。计算和模拟误差较小,阻抗匹配理论准确解释界面反射现象。弹塑性不匹配导致P和P及剪切应力τ界面不连续,Ni层、Al层和NiAl层P和P不连续性由弹性常数比K决定,剪切应力τ不连续性与剪切模量μ和泊松比ν有关。弹塑性不匹配理论计算和模拟结果一致得出:各层横向应力分量剖面P和P及剪切应力τ关系如下pp p,p p p,t (27)t (27)t 。Ni/Al和Ni/NiAl微叠层复合材料多层靶板弛豫后界面原子应力集中且无序度大,Ni/NiAl界面应力向NiAl层释放趋势。位错反应导致金字塔型位错和堆垛层错分别在Al和NiAl层发生。跟踪原子运动解释位错形成和滑移机理,结果表明:Ni/Al界面全位错分解一条压杆位错和两条肖克利位错,压杆位错固定不动,肖克利位错滑移扩展,取向合适两条肖克利位错在交线生成“Hirth locks,最终金字塔边缘全部形成“Hirth locks;Ni/NiAl类金字塔型位错两步分解是[211]和[211]两向原子不同时开动,弗兰克位错以过渡位错存在,位错合并过程中由于取向改变,少部分“Hirth locks回复分解,金字塔型堆垛层错形成伴随FCC→BCC→HCP连续相变。综合分析Ni/Al和Ni/NiAl微叠层复合材料抗冲击性能,结果表明:两相邻界面冲击波传播,0.8457(28)η×η(27)η×η(28)0.9743,Ni/Al微叠层复合材料具有较好得滤波效果,但t(27)t,p p ,Ni/NiAl具有较好抗屈服变形能力,又知Ni/Al产生易使界面形核、长大、最终分层失效的较大反射拉伸波,综上所述,Ni/NiAl具有较好抗冲击变形能力,且界面越多,滤波效果越好。Ni/NiAl共格界面垂直于界面方向压缩载荷下应力-应变曲线研究表明:塑性变形过程中界面全位错分解和肖克利位错合成,继续滑移扩展的肖克利位错导致类金字塔型堆垛层错的互锁显著提高极限屈服强度,整个压缩过程表现塑性断裂特征。