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形状记忆合金中时效效应的原子模拟

邓俊楷  
【摘要】:形状记忆合金作为一种新型功能材料引起了人们广泛关注。这主要是由于形状记忆合金中存在奇特的形状记忆效应和超弹性。已有的研究表明,这些奇特的性质起源于形状记忆合金中发生的马氏体相变和马氏体逆相变。迄今为止,形状记忆合金已被广泛的用在传感器,驱动器,微型机电系统等诸多实际应用中。 在过去的数十年中,许多种类的形状记忆合金被科学家所发现,例如:Au-Cd, Au-Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Ti-Ni-Hf, Ni-Mn-Ga, Ti-Ni, Ti-Ni-Fe等合金。可是,能实际应用于商业用途的形状记忆合金却只有少数几种。一个很重要的原因是众多的形状记忆合金都会发生时效效应。时效效应是指形状记忆合金的物理性能会随其在马氏体相(或母相)停留的时间而发生变化。这极大的影响了由形状记忆合金制造的物理器件的稳定性,从而影响了其被广泛应用的可能性。可是直到现在,形状记忆合金时效效应的微观机理还存在争议。这主要是由于现有的实验手段无法观测时效过程中的原子过程。因此,本文采用了计算机模拟的方法,系统的研究形状记忆合金中的时效效应和其相关的奇异的物理行为。 形状记忆合金的时效行为包含了两个重要特征:1)短时间尺度的马氏体相变(或马氏体逆相变);2)长时间尺度的时效过程。迄今为止,没有一种原子模拟的方法能够同时模拟这两个特征。为了解决这个难题,本文设计了一种新的原子模拟方法,即分子动力学方法和蒙特卡洛方法的耦合。分子动力学方法用于模拟“短时间尺度”的相变过程,蒙特卡洛方法用于模拟“长时间尺度”的时效过程。使用这种新方法,能够获得形状记忆合金时效效应的原子过程及相应的微观图像,并可以澄清其微观机理。 首先,本文成功的复现了一种被广泛观察到的时效效应——马氏体稳定化,,即马氏体逆相变点会随形状记忆合金在马氏体相停留时间的增长而升高。基于所获得的微观原子图像,本文发现马氏体稳定化与马氏体的长程结构(long-range order)无关,它起源于点缺陷的短程扩散。并且,定量的计算表明,点缺陷的短程扩散使其短程排布(short-range order)的对称性趋同于所在马氏体的晶体对称性。这从原子尺度上表明了点缺陷短程有序对称一致性模型(点缺陷的短程有序度的对称性趋于与晶体结构的对称性保持一致)是解释马氏体稳定化行为的最合理的微观模型。 第二,通过原子模拟,本文还研究了形状记忆合金中马氏体时效引起的力学行为的变化。研究发现单畴马氏体的畴翻转临界应力随马氏体时效时间的增加而增大,这和已有的实验结果相一致。原子图像指出点缺陷短程有序对称一致性模型仍然是这一时效效应的起源。基于点缺陷的短程有序度参数和弹性力学,本文建立了半定量的公式用于计算马氏体畴时效前后的自由能差别。结果表明,正是点缺陷短程重排布导致了畴翻转临界应力的升高。这一公式也可用于计算时效后的马氏体畴和其应力致翻转(reorientation)后的马氏体畴的自由能差,其结果暗示了另一种被广泛观察到的马氏体时效效应——“类橡皮效应”(rubber-like behavior)也是起源于点缺陷的短程重排布。 第三,已有的实验表明,时效后的马氏体经过马氏体逆相变回到母相状态,会使形状记忆合金消除马氏体时效效应,被称为马氏体去时效过程。实验显示这个过程发生的速度非常快,似乎单纯的逆相变就能使其完成。基于同样的模拟方法和设计的模拟过程,本文研究并确定了马氏体去时效现象的起源:尽管马氏体去时效的过程发生在很短的时间尺度内,但原子——特别是点缺陷的短程扩散是其产生的根本原因。原子图像的微观统计表明,通过短程扩散,点缺陷的短程有序排布可以恢复到马氏体时效之前的状态,从而消除马氏体时效效应。相比于马氏体时效过程中点缺陷的扩散,令人吃惊的是,尽管处于马氏体相变点上下的母相和马氏体相的温度差别可以很小,但点缺陷在母相和在马氏体相的扩散速率却有极大的差异。通过进一步计算点缺陷的扩散速率,本文还揭示了母相和马氏体相的结构差异是导致点缺陷扩散速率变化的最主要动力学起源;而点缺陷在母相中扩散的热力学起源可以归结为点缺陷短程有序对称一致性的要求。 最后,分别利用实验和原子模拟的方法,发现了马氏体去时效的时间相关性。基于Au-49.5at%Cd合金,首先利用四端电阻法的实验手段研究了马氏体去时效的过程。实验结果显示,对于所选合金样品,如果去时效过程的时间小于500秒,则其马氏体相变温度不能恢复到时效前的温度,这表明马氏体时效效应没有被完全消除。相关的原子模拟也重现了这一现象,证实了马氏体去时效行为是一个时间相关的过程。在此过程中,马氏体相变温度的变化表明了一种新的“母相时效”效应。根据原子模拟提供的微观图像,本文得到了马氏体时效和马氏体去时效(母相时效)的统一微观机理:点缺陷短程有序对称一致性模型。 综上所述,通过系统研究,本文澄清了形状记忆合金中时效效应的微观机制。基于原子模拟,奇特的时效效应被计算机实验所复现,并为其提供了微观解释。半定量的公式用于计算时效前后系统的自由能差,从而给出了时效机制的更深刻的物理理解。因此,本文的研究不但在基础研究中具有重要的意义,而且为如何控制时效效应使形状记忆合金被更好的应用提供了理论指导。


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