曹莉霞，彭鵬

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

曹莉霞1，彭鵬2

（1.中國金屬學(xué)會(huì)，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(cuò)；分子動(dòng)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(shí)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)對(duì)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(shí)NiAl材料裂紋的擴(kuò)展情況，文中擬通過分子動(dòng)力學(xué)計(jì)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(duì)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(dòng)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(gè)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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)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(shí)間為5×10?11s。對(duì)于一定溫度下的外載作用，模擬樣品被限制于按照運(yùn)動(dòng)方程來運(yùn)動(dòng)，直到其宏觀性質(zhì)不再隨著時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)加載方式。裂紋受I型加載，即對(duì)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(gè)恒力，然后用MD技術(shù)對(duì)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(dòng)力學(xué)中。采用Gear算法求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程，時(shí)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(duì)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(cuò)的發(fā)射，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到NiAl裂紋中有位錯(cuò)發(fā)射的現(xiàn)象一致[14-16]。對(duì)于(010)[001]裂紋，裂尖前端的(100)面上有[010]位錯(cuò)發(fā)射；<100>{100}刃型位錯(cuò)發(fā)射后，不易在{100}面上運(yùn)動(dòng)，塞積在裂尖附近。位錯(cuò)的不斷發(fā)射和堆積導(dǎo)致(110)滑移面上出現(xiàn)空洞。對(duì)于(010)[101]裂紋，<100>{110}刃型位錯(cuò)沿滑移面不斷產(chǎn)生并發(fā)射，隨后迅速運(yùn)動(dòng)離開裂尖。發(fā)射的位錯(cuò)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(cuò)的運(yùn)動(dòng)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于<100>{110}刃型位錯(cuò)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(duì)密排的{110}面上解理相一致。同時(shí)，模擬結(jié)果表明，對(duì)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(duì)來說具有一定塑性，裂尖處有位錯(cuò)發(fā)射，可協(xié)調(diào)變形。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報(bào)道相一致。

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

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(shí)，原子能在裂紋前端的滑移面上運(yùn)動(dòng)，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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邷睾辖鸱肿觿?dòng)力學(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