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孔洞对单晶铁冲击相变影响的原子模拟研究

邬丽  
【摘要】:研究高压条件下固体材料的力学和结构响应行为对于理解地球物理学、天文学和科技应用都非常重要。铁不仅是地心的重要组成元素,还大量应用于现代工业和国防,其高压相变受到了广泛关注。值得注意的是工程材料中会存在各种各样的缺陷,这些已有的缺陷能够影响冲击加载下材料的相变性质。然而,圆柱形孔洞作为管材中的固有特征结构,如何影响材料的相变微观机制直到现在还没有系统的研究。因此,研究圆柱形孔洞对铁的相变影响具有重要意义。本工作运用非平衡分子动力学方法结合改进的分析型嵌入原子势研究了含圆柱形孔洞的单晶铁在冲击载荷下的响应行为。研究结果如下:(1)圆柱形孔洞会影响冲击响应。当冲击波扫过孔洞后会出现反射波,而且孔洞区域的温度远远高于其他区域的温度。另外,沿[110]和[111]晶向加载时,能清楚地观察到位错的成核和长大,孔洞表面作为位错源会发射很多的位错;沿不同的晶向冲击时,孔洞都不仅能够降低相变的阈值应力而且都是相变的最佳成核点;(2)圆柱形孔洞能够影响马氏体变体。当加载方向沿着不同的晶向时,孔洞的存在都能够增加一种马氏体变体。当加载方向沿着[001]晶向时,新增的马氏体变体为(101)变体,加载方向沿着[110]和[111]晶向时,新增的马氏体变体为(1-10)变体;(3)讨论了应力援助相变机制和应变诱导相变机制。当加载方向沿着[001]晶向时,(110)、(1-10)和(101)变体都是通过应变诱导相变机制产生的。当加载方向沿着[110]晶向时,(110)变体是通过应变诱导相变机制产生的,(1-10)变体是通过应力援助相变机制产生的;(4)研究了变体的原子数。圆柱形孔洞的存在能够降低老变体的增长率,提高新变体的增长率。另外,存在一个临界尺寸决定新的变体能否长大。本文通过研究圆柱形孔洞对单晶铁相变的影响而得出的以上结论,有望为以后实验中有关铁的相变的研究提供一定的理论依据和指导。


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