套用分子動力學格波理論研究NiAl合金的力學性質

《套用分子動力學格波理論研究NiAl合金的力學性質》是依託中國科學院力學研究所，由湯奇恆擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：套用分子動力學格波理論研究NiAl合金的力學性質
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：湯奇恆
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

將晶格動力學理論和固體力學相結合，建立了分子動力學的格波理論。該理論將符合周期性幾何結構的三維晶體看作代表性體元，研究晶體在有限溫度下的本構關係。首先將原子的熱運動看作是在原子平衡位置附近的高頻小幅振動，直接求得簡潔明了而嚴格的原子動力學方程。進而導出原子動力學方程的簡諧近似。基於周期性邊界條件，建立晶格振動的特徵方程，求得晶體固有頻率和原子動力學方程組的解析解。在此基礎上求得有限溫度下，三維晶體的熱應力。該理論有效地克服了經典分子動力學在時間尺度和空間尺度上的困難。本項目選擇NiAl合金為研究對象，套用分子動力學格波理論，在有限溫度下，將分子動力學本構關係推廣到NiAl合金的塑性變形，加工硬化，超塑性和高溫蠕變變形行為；研究本構關係隨NiAl合金的晶粒尺寸變化的規律，探討當晶粒尺寸在納米範圍內的本構關係的有效性。將分子動力學格波理論套用於小角度晶界和重合位置點陣界面結構，得到本構關係。

結題摘要

基於有限溫度的熱應力理論，運用嵌入原子法，對NiAl合金的力學行為和熱力學性質進行了分析，重點關注了它的一些基本力學參量受溫度影響的情況以及相關的應力應變關係，可以分為以下三個部分： 首先，找出Ni-Al體系原子間互動作用勢的具體形式，並根據第一性原理的計算結果對勢函式進行了微小的修正。結合-NiAl合金的微觀晶體結構和固體物理的格波理論，建立了Al原子與Ni原子振動的動力學方程組，方程組中的所有參數均可以通過原子間互動作用勢計算得出。 其次，根據動力學方程組，結合有限溫度平衡以及熱應力理論，求解NiAl聲子譜，以及隨溫度變化的熱容、晶格常數、熱膨脹係數、熱應變、體積模量、彈性常數等數據，計算結果與實驗值符合得比較好。 最後，根據已經建立的單晶彈性常數與多晶彈性常數之間的轉換關係，由NiAl單晶彈性常數求解出多晶NiAl的楊氏模量隨溫度變化的曲線，得到的結果也與實驗數據符合得比較好。結合NiAl的單軸壓縮應力應變實驗數據與屈服強度數據，擬合併建立了一個簡單的NiAl彈塑性本構方程。這一本構方程能預測不同溫度下NiAl的力學行為。 本項目對NiAl合金材料，而且對於單晶銅，多晶銅和鋁等材料，運用分子動力學格波理論，也獲得了很好地成果。選擇單晶材料金屬Cu為研究對象，有二個理由。一是FCC銅晶體原子結構比較簡單，描寫銅晶體的LJ勢函式，已經被大量使用和廣泛接受；二是銅單晶體和多晶體隨溫度變化的實驗數據易於找到。便於本項目的理論計算的預測結果與實驗對比。