高壓下單晶鋁結(jié)構(gòu)相變的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，同時(shí)也是應(yīng)用極為廣泛的工業(yè)材料，對(duì)其基礎(chǔ)特性的研究對(duì)材料學(xué)、地球科學(xué)等都具有非常重要的意義。本論文利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬方法研究了單晶鋁在單軸加載和等變形壓加載條件下的相變過程。討論了沿不同晶向加載及在等變形壓加載條件下單晶鋁發(fā)生相變的規(guī)律，重點(diǎn)從相變晶體學(xué)的角度分析了單晶鋁在沿不同晶向加載及在等變形壓加載條件下的相變機(jī)制。通過追蹤原子運(yùn)動(dòng)軌跡，得到了單晶鋁滑移的路徑，為進(jìn)一步分析鋁的相變過程提供了理

2、論依據(jù)。
　　在單軸加載條件下，鋁在沿[001]，[011]，[111]三個(gè)晶向的加載過程中都會(huì)發(fā)生fcc-hcp相變，但相變特征和相變機(jī)制與加載晶向密切相關(guān)。加載方向?yàn)閇011]及[111]晶向時(shí)所呈現(xiàn)的相變特征和相變機(jī)制非常類似，但與沿[001]晶向加載時(shí)所呈現(xiàn)的相變特征和相變機(jī)制截然不同。其中沿[001]晶向加載時(shí)，fcc-hcp的相變臨界壓力在90 Gpa左右，對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.32。而沿[011]及[111]晶向加載時(shí)的相變

3、臨界壓力分別為14 Gpa和17 Gpa，對(duì)應(yīng)形變分別為0.107和0.114。
　　在單軸加載下，沿不同晶向加載時(shí)，單晶鋁的相變機(jī)制有所差異，通過追蹤原子的滑移路徑，得到了沿不同晶向加載時(shí)的相變機(jī)制并進(jìn)行了分析討論。研究結(jié)果顯示:沿[001]晶向加載時(shí)的相變?yōu)橥耆嘧?，相變機(jī)制可以認(rèn)為分兩步進(jìn)行。第一步，fcc結(jié)構(gòu)鋁中不同區(qū)域的的(010)和(100)晶面在加載過程中[001]晶向的晶格變短，上述兩晶面轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp的(0001)

4、晶面。第二步，在由fcc(010)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp(0001)晶面的這一區(qū)域，fcc{010}晶面族上的相鄰兩晶面的原子在壓力超過臨界壓力后分別沿[100]和[(1)00]晶向滑移。與此同時(shí)，在由fcc(100)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp(0001)晶面的這一區(qū)域，fcc{100}晶面族上的相鄰兩晶面的原子沿[010]和[0(1)0]晶向滑移。在這兩步結(jié)束后，鋁由原來的fcc相轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp相。并且hcp相主要以孿晶的形態(tài)存在，孿晶界面為(110)

5、面。另外還有一部分原子以fcc堆垛層錯(cuò)的結(jié)構(gòu)形式存在，這部分堆垛層錯(cuò)構(gòu)成的晶面主要為(100)和(010)晶面。隨后的研究發(fā)現(xiàn)沿[001]晶向加載相對(duì)應(yīng)的卸載過程有逆相變的出現(xiàn)，其中，逆相變過程的相變壓力大約為71 Gpa，比加載時(shí)的相變壓力要小一些，逆相變出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象。
　　沿[011]和[111]兩個(gè)晶向加載時(shí)出現(xiàn)的fcc-hcp相變?yōu)椴煌耆嘧?。?dāng)相變結(jié)束后，僅有大約20％的原子排列為hcp結(jié)構(gòu)，其它仍以fcc結(jié)構(gòu)或無序原

6、子結(jié)構(gòu)排列。沿這兩個(gè)晶向加載時(shí)的相變機(jī)制可歸結(jié)于不全位錯(cuò)沿滑移面的滑移。當(dāng)加載方向?yàn)閇011]晶向時(shí)，hcp相在四個(gè)屬于fcc{111}晶面族的滑移面(111)、((1)11)、(1(1)1)、(11(1))上生長(zhǎng)為典型的層片狀結(jié)構(gòu)。而當(dāng)加載方向?yàn)閇111]晶向時(shí)，由于剪切應(yīng)力在(111)晶面上的分量為0，所以，不全位錯(cuò)不會(huì)再(111)面上發(fā)生滑移，而是在fcc{111}晶而族的另外三個(gè)晶面上，即((1)11)、(1(1)1)、(11(

7、1))晶面上進(jìn)行滑移。最后在((1)11)、(1(1)1)、(11(1))三個(gè)晶面上形成典型的層片狀結(jié)構(gòu)。
　　隨后本文進(jìn)一步研究了在等變形壓加載條件下鋁的結(jié)構(gòu)相變。在等變形壓加載條件下，鋁在250 Gpa左右會(huì)發(fā)生fcc-bcc的相變。但并未在相應(yīng)的低壓段發(fā)現(xiàn)fcc-hcp相變。在相變過程中，隨著壓力的提高，相變開始的時(shí)間越來越短。整個(gè)相變完成所需要的時(shí)間隨體系初始?jí)毫Φ纳仙手笖?shù)下降的趨勢(shì)。
　　模擬中我們?cè)敿?xì)考察了相變

8、的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在樣品的不同區(qū)域，舊相——fcc相的兩個(gè)屬于{111}晶面族的原子密排面——(1(1)1)和(11(1))晶面轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪唷猙cc相的原子密排面(011)面。而fcc結(jié)構(gòu)中的(11(1))晶面和(1(1)1)晶面的分界面(0-11)成為bcc結(jié)構(gòu)中的晶界界面。
　　對(duì)單晶鋁在等變形壓加載條件下出現(xiàn)fcc-bcc結(jié)構(gòu)相變的相變機(jī)制的研究表明:相變主要來源于原子排列的四種運(yùn)動(dòng):原子間距的拉伸和壓縮;原子排列沿相應(yīng)

9、晶向的剪切;晶面間的滑移和晶面的旋轉(zhuǎn)。相變過程中，在fcc相(1(1)1)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc相(011)晶面的這一區(qū)域，沿[2(1)1]晶向排列的原子之間的間距縮短，與此同時(shí)，沿[011]晶向排列的原子之間的間距拉長(zhǎng)，在原子間距發(fā)生變化后，原子排列會(huì)沿[010]或晶向發(fā)生剪切，緊接著，fcc結(jié)構(gòu)的(11(1))晶面中的相鄰兩晶面沿[2(1)1]晶向滑移。而在在fcc相(11(1))晶面轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc相(011)晶面的這一區(qū)域，沿[21(1)

10、]晶向排列的原子之間的間距縮短，與此同時(shí)，沿[011]晶向排列的原子之間的間距拉長(zhǎng)，在原子間距發(fā)生變化后，原子排列會(huì)沿[001]晶向發(fā)生剪切，緊接著，fcc結(jié)構(gòu)的(1(1)1)晶面中的相鄰兩晶面沿[21(1)]晶向滑移。最后，fcc結(jié)構(gòu)中的(11(1))和(1(1)1)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在bcc結(jié)構(gòu)中的(011)面。最后，已發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的晶面還要有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的過程，旋轉(zhuǎn)晶面為bcc結(jié)構(gòu)的(011)面，旋轉(zhuǎn)的角度大約為6.5°。在晶面旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，