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γ-TiAl合金因其良好的性能而被广泛应用于航空航天和汽车等工业领域,其在制造和使用过程中易出现裂纹和孔洞等缺陷。微裂纹的存在会降低材料的刚度、韧性、强度和寿命,并且其在外部因素作用下的扩展及合并将导致宏观裂纹。为解决γ-TiAl合金室温塑性差、断裂韧性低和裂纹扩展速率高等限制其广泛应用的问题,需要对γ-TiAl合金在不同条件(如内部组织结构和加载方式等)下的塑性变形、断裂机制以及力学性能有更深入的认识和理解。实验研究受条件和成本限制,很难捕捉到材料内部微观结构的演化过程,因此不能透彻解释γ-TiAl合金的内在变形机制,而分子动力学模拟可以弥补实验研究的不足。本文采用分子动力学方法从原子尺度较系统地对含有不同Al含量、裂纹位置和孪晶界间距的γ-TiAl合金的拉伸行为,不同晶向和孪晶界间距下γ-TiAl合金的剪切行为进行了模拟,讨论了不同模拟条件下γ-TiAl合金的宏观力学性能,并结合微观结构演化过程分析了其变形和断裂机制。研究结果将对γ-TiAl合金的性能优化具有重要指导意义并为设计和制造出更满足实际使用要求的γ-TiAl合金提供帮助。主要研究内容及结果如下:(1)模拟了不同Al含量下γ-TiAl合金的单轴拉伸过程,分析了Al含量对γ-TiAl合金变形机制和裂纹扩展过程的影响,得到了Al含量影响γ-TiAl合金力学性能的规律。模拟结果表明低Al含量γ-TiAl合金试样的主要变形机制是子-母裂纹扩展,即裂纹首先产生孔洞、孔洞演化成微裂纹后与主裂纹结合,并伴随有位错、层错和空位的产生;高Al含量试样以裂纹的解理扩展为主要变形机制。Al含量影响裂纹的扩展形式但对裂纹的断裂形式影响较小,不同Al含量下试样均呈脆性断裂。研究还发现试样的弹性模量不受Al含量影响,而塑性随Al含量的减小而增加。分析了γ-TiAl合金试样中裂尖附近缺陷的演化过程,发现位错行为、空位、堆垛层错和面角位错提高了γ-TiAl合金试样的塑性。(2)模拟并讨论了含有裂纹和孪晶界的γ-TiAl合金的变形过程,发现了不同位置下沿晶裂纹的扩展规律,分析了裂纹位置对γ-TiAl合金力学性能的影响。结果表明三种裂纹位置下试样变形机制的本质均是位错-位错、位错-孪晶和孪晶-孪晶之间的反应,但缺陷间的反应、反应后的产物类型和数量以及裂纹的扩展行为受裂纹位置影响,含有下边界裂纹和中心裂纹的试样在裂纹扩展过程中经历了韧-脆转变。位错的类型和运动、堆垛层错的产生以及分级孪晶的行为在变形和断裂过程中起着至关重要的作用。研究结果还表明不同裂纹位置下γ-TiAl合金试样表现出不同的力学性能,含有上边界裂纹的试样屈服强度最大,其次是下边界裂纹,最后是中心裂纹;试样的弹性模量受裂纹位置影响较小;通过定量对比得到上边界裂纹试样的韧性最好,而中心裂纹的韧性最差。(3)研究了不同孪晶界间距下纳米孪晶γ-TiAl合金中缺陷之间的相互作用,揭示了不同孪晶界间距下试样的变形机制和穿晶裂纹的扩展机制。研究发现小孪晶界间距试样的变形机制主要是位错-孪晶界的相互作用,而大孪晶界间距试样以位错间的相互作用为主。孪晶界间距的不同导致了位错密度及其行为的差异。探讨了含裂纹的纳米孪晶γ-TiAl合金试样的变形机制,结果表明位错和孪晶行为以及位错和裂纹的相互竞争控制着主要的塑性变形机制,孪晶界与裂纹的相互作用随孪晶界间距的增加而减弱,从而使裂纹更容易扩展。模拟结果还表明孪晶界间距对γ-TiAl合金试样的弹性模量无明显影响,无裂纹试样的屈服应力随孪晶界间距的增加而大致呈增大趋势,断裂韧性无显著差异;而有裂纹试样的屈服应力和断裂韧性均随孪晶界间距的增大而减小。此外,给出了孪晶界间距调控γ-TiAl合金材料性能的方式。结果表明改变孪晶界数量和模型尺寸这两种调节孪晶界间距的方式对初始塑性变形机制无明显影响,而对后期变形有显著影响;虽然两种方式均能同时使γ-TiAl合金试样强化和韧化,但仍存在差异,通过对比分析得到了强度和韧性存在差异的原因。最后揭示了温度对γ-TiAl合金试样力学性能的影响规律,发现屈服应力和弹性模量均为温度的线性递减函数,且在高温下晶体的稳定性变差。(4)探讨了剪切载荷作用下晶向和孪晶界间距对γ-TiAl合金变形机制和力学性能的影响,揭示了不同晶向下γ-TiAl合金的变形机制,得出了γ-TiAl合金的剪切模量和屈服应力的变化规律,发现了孪晶界间距影响γ-TiAl合金试样的剪切变形的机理。结果表明孪晶界间距在剪切载荷作用下对试样的变形机制没有显著影响,沿垂直于孪晶界的方向施加剪切载荷有利于材料强化。所有孪晶界间距的试样中,位错相互反应及孪晶界与位错反应导致孪晶界的共格结构破坏,由此引起的应变硬化增加了γ-TiAl合金试样的韧性。通过模拟得到了不同孪晶界间距下使剪切模量变化趋势发生改变以及分别使孪晶界迁移的临界应力最大和最小时的孪晶界间距。此外,对拉伸载荷和剪切载荷作用下γ-TiAl合金试样的变形机制和力学性能进行了对比分析。