摘要

利用分子动力学分析了不同空位浓度的Al空位和Ti空位对γ-TiAl剪切力学性能的影响，重点研究了含空位γ-TiAl的温度效应。结果表明，随着空位浓度的增加，弹性模量没有太大变化，但剪切强度逐渐减小，且含Al空位γ-TiAl的剪切强度要高于含Ti空位γ-TiAl。在剪切过程中，材料偏向于离边界更近处的空位处形成位错源，进而向材料内部发射位错，并且出现了类似于宏观材料的颈缩现象。进一步分析了温度对空位浓度为0.5%γ-TiAl的影响，发现随着温度的增加，剪切强度总体呈下降趋势。

γ-TiAl具有密度低、比强度高、抗氧化能力强等优点，在航空航天领域具有重大的应用潜力。在实际晶体中，γ-TiAl往往存在很多缺陷，如空位、孪晶等等。其中，空位作为一种原子尺度的点缺陷，会严重影响γ-TiAl的力学性能，缩短使用寿命，因此研究空位对其力学性能的影响是γ-TiAl得到应用的关键因素。空位的大小只有一个原子尺度，难以通过试验手段进行观察，分子动力学模拟作为一种研究材料原子尺度的重要方法，可以更加直观的了解材料的微观结构演化机理，所以采用分子动力学研究具有重要意义。

(资料图)

近些年，通过原子尺度阐述材料力学性能的研究在不断增加。刘晓波等采用分子动力学研究了Al2Cu在300 K，恒定的工程应变速率下拉伸变形行为。结果发现，300 K时Al2Cu非常脆，在应变为0.086时应力峰值达到6.4 GPa，且拉伸初期阶段位错不易产生，使弹性阶段较长。XU D等采用分子动力学研究了γ-TiAl孪晶形变的一种新机制，即沿{111}晶面两个伪孪晶晶向剪切，发现了2/3孪晶可能是适应高应力集中或非常大应变速率的有效机制。罗德春等采用了分子动力学方法对预置裂纹的单晶γ-TiAl进行单轴拉伸。结果表明，应变速率不同，裂纹的扩展方式有很大差异。朱旭等采用分子动力学方法模拟了γ′强化相对 Ni/Ni3Al 拉伸力学性能的影响。结果表明，γ′强化相可以提高 Ni/Ni3Al的抗拉强度。WU H N等采用分子动力学方法研究了含各种表面缺陷对单晶γ-TiAl拉伸力学性能的影响。结果表明，表面和边缘处的缺陷会降低材料的强度，并为位错提供形核点。XU X T等采用分子动力学方法研究了单轴压缩作用下γ-TiAl球形孔洞的收缩特性。结果表明，塑性变形阶段堆垛断层滑动在晶体内是孔洞收缩的主要变形机制。LI W等采用分子动力学模拟方法研究了在不同约束条件下具有γ/α2界面的两相TiAl金属间化合物的力学响应及其变形机理。结果发现，应力应变关系随着加载方向不同具有很大差异。同时，在自由边界条件下，以塑性变形为主，但是在约束边界条件下则以断裂为主。在不同的边界条件下，相界面可作为位错源或裂纹源。LI P T等采用分子动力学方法研究了TiAl+Ti3Al两相纳米多晶合金在不同温度下的变形行为。结果表明在两相纳米多晶合金中，TiAl相中晶粒尺寸小于临界尺寸的位错运动占主导地位。涂爱东等采用分子动力学方法研究了对不同厚度的γ/α2相进行拉伸加载。结果表明，位错首先出现在γ相一侧，并以剪切传递的形式穿过γ/α2相界面，激活α2相一侧的锥面层错。

综上，研究者多采用分子动力学方法研究γ-TiAl的力学性能，但TiAl合金含有Ti空位和Al空位，且目前关于Ti空位与Al空位对γ-TiAl剪切力学性能的研究较少。本课题采用分子动力学，研究不同浓度的Ti空位和Al空位和温度对γ-TiAl剪切力学性能的影响。

1 模型与方法

先采用Atomsk构建完整的单晶γ-TiAl模型，晶向为X=、Y=、Z=，大小为100 Å×100Å×100 Å，原子总数为62 500，随后使用Atomsk随机删除不同摩尔分数的Al原子和Ti原子，本课题选取的Al空位浓度和Ti空位浓度分别为0.3%、0.5%、0.7%、1.0%。0.5%Al空位浓度模型见图1。

图1 含空位γ-TiAl模型

势函数表示了原子间的相互作用，原子间相互作用势的准确性会直接影响模拟结果。目前，EAM是描述金属原子间相互作用最常用的势函数。

在X方向采取非周期性边界条件，Y与Z方向在采取周期性边界条件，使模拟过程与实际相符。在模拟过程中，首先将含不同空位浓度的γ-TiAl在NPT系综下弛豫100 ps以达到稳定状态；弛豫结束后，上下各固定厚度为10Å的刚性原子层，利用Nose-Hoover控温法将温度控制在300 K，设置时间步长为1 fs，工程速率为1 ps-1，在NVT系综下沿X轴进行剪切模拟。

【图文结果】

1 300K下不同浓度γ-TiAl的剪切变形行为分析

图2和图3分别为不同Al空位和Ti空位浓度下单晶γ-TiAl沿X轴剪切模拟时的工程应力-应变曲线。可以看出，在初始弹性阶段，5组曲线的斜率变化不大，说明空位浓度对弹性模量的影响并不大。随着空位浓度的增大，γ-TiAl的剪切强度逐渐下降，这与文献较为符合。当剪切应力下降到2.0 GPa附近时，曲线出现了短暂的上升，材料的塑性变形受到阻碍，随后曲线又开始缓慢下降直至趋于零，这与材料内部的微观结构变化有一定的联系。含Al空位γ-TiAl在不同空位浓度下的剪切强度分别为4.37 (0%)、4.28(0.3%)、4.22(0.5%)、4.17(0.7%)、4.10GPa(1.0%)；含Ti空位γ-TiAl在不同温度下的剪切强度4.37(0)、4.25(0.3%)、4.19(0.5%)、4.05(0.7%)、4.06 GPa(1.0%)。可以看出，含Al空位γ-TiAl的剪切强度均高于含Ti空位γ-TiAl，这是由于Ti原子和Al原子的空位形成能不同所致。Ti与Al的空位形成能分别为1.71和0.99eV，Ti原子的空位形成能高于Al原子的空位形成能，则剪切过程中Ti空位所产生的畸变能高于Al空位，其引起的晶格畸变更加严重，对周围原子的扰动性更强，使得更多的原子无序化，最终导致材料力学性能大幅度下降，故含Al空位γ-TiAl剪切强度更高。

图2 不同Al空位浓度γ-TiAl工程应力应变曲线

图3 不同Ti空位浓度γ-TiAl工程应力应变曲线

为了更加直观的观察γ-TiAl剪切模拟过程中的微观结构变形机理，对模型进行切片处理。图4为300 K、0.5%Al空位γ-TiAl剪切模拟过程中的原子轨迹图，此空位浓度下的微观结构演变具有其他空位浓度γ-TiAl剪切变形微观结构演变的共性。当t=9 ps时，剪切应力达到最大值，材料开始塑性变形，因为空位对周围原子结构的扰动性较强，使得周围的晶格产生畸变，导致局部应力集中，位错也更偏向于在空位处形核，并向晶体内部发射1/6<112>Shockley位错，以释放局部应力。当t=47 ps时，材料内部出现堆垛层错，层错之间形成复杂的层错网，能有效地阻碍材料的塑性变形，这也很好地解释了曲线在下降过程中出现上升的原因，文献也发现了这种现象。随着剪切应变的增加，大量位错产生并于晶体内部交割缠结产生局部应力高度集中，从而导致原子无序化，使材料开始出现断裂的趋势。当t=137 ps时，材料出现了明显的断裂，并且出现类似于宏观材料的颈缩现象。继续增加剪切应变，靠近颈缩区的原子键被破坏，原子无序化加剧，使材料发生断裂。

图4 不同时刻下的剪切原子图

2 温度对材料力学性能的影响

设置温度分别为300、500、700、900、1 100 K，剪切速率为1 ps-1，对γ-TiAl沿X轴进行剪切模拟。图5与图6分别为Al空位浓度与Ti空位浓度为0.5%的工程应力-应变曲线。由图5与图6可以看出，随着温度的升高，Al空位浓度与Ti空位浓度γ-TiAl的弹性阶段逐渐缩短，但其弹性模量基本相同。Al空位γ-TiAl在不同温度下的剪切强度分别为4.22 (300 K)、3.77(500 K)、3.32 (700 K)、2.71 (900 K)，2.21 GPa(1 100 K)；Ti空位γ-TiAl在不同温度下的剪切强度4.19（300 K)、3.76 (500 K)、3.29 (700 K)、2.67 (900 K)、2.19 GPa(1 100 K)。由这些数据可知，随着温度的升高，Al空位和Ti空位γ-TiAl剪切强度均逐渐减小，且达到剪切强度所需要的应变更小,这说明很小的剪切应力就能引起很大的变形。原因是随着温度的提高，系统能量升高，原子动能也随之增大，原子迁移和重组加剧，内部原子无序化更加严重，导致材料更容易变形。

图5 不同温度下Al空位γ-TiAl应力应变曲线

图6 不同温度下Ti空位γ-TiAl应力应变曲线

为更加直观的观察微观结构变化，故对模型进行切片处理，900 K、0.5%的Al空位γ-TiAl的剪切原子图见图7，此温度下的微观结构演变具有其他温度下γ-TiAl剪切变形微观结构演变的共性。当t=6 ps时，剪切应力就已经达到最大值，为释放内部应力，材料开始发生塑性变形，位错于离边界更近的空位处产生，见图中黑色圆圈处。当t=47 ps时，随着温度的升高，系统势能上升，原子活动更加活跃，导致在两个加载步时间内原子无法回到平衡的位置，内部原本有序的原子转化成hcp或者其他结构，材料出现了明显的断裂趋势。当t=137 ps时，材料出现了类似于宏观材料的颈缩现象，随着应变的增加，颈缩区周围的原子无序化更加严重，材料断裂。

图7 剪切原子图

3 结论

(1)300K下对比不同空位浓度的Al空位和Ti空位对γ-TiAl剪切力学性能的影响，发现弹性模量没有太大变化，但剪切强度逐渐减小，且含Al空位γ-TiAl的剪切强度要高于含Ti空位γ-TiAl。工程应力-应变曲线在下降过程中出现了短暂的上升，材料的塑性变形受到阻碍。

(2)在剪切过程中，含空位γ-TiAl偏向于离边界处更近的空位处产生位错源，向晶体内部发射位错，并且材料均出现类似于宏观材料的颈缩现象。

(3)随着温度的增加，γ-TiAl剪切强度总体表现为下降的趋势，且到达剪切强度的应变更小。主要原因是随着温度的升高，系统能量增大，原子动能也增大，内部原子无序化更加严重，材料更容易变形。

【文献引用】

高鑫,温余远,王克鲁,等.不同空位浓度γ-TiAl剪切过程分子动力学模拟[J].特种铸造及有色合金,2023,43(3):345-348.

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