形状记忆合金中时效效应原子模拟

摘要：形状记忆合金作为一种新型功能引起了人们广泛关注。这主要是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,这些奇特的性质起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,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。这主要是现有的实验手段观测时效中的原子。因此,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的奇异的物理。形状记忆合金的时效包含了两个特征: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。迄今为止,一种原子模拟的方法同时模拟这两个特征。为了解决难题,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,蒙特卡洛方法用于模拟“长时间尺度”的时效。使用新方法,形状记忆合金时效效应的原子及相应的微观图像,并可以澄清其微观机理。,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。基于所的微观原子图像,发现马氏体稳定化与马氏体的长程结构(long-range order)无关,它起点缺陷的短程扩散。并且,定量的计算,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的最合理的微观模型。,原子模拟,还研究了形状记忆合金中马氏体时效引起的力学的变化。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,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,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-pke behior)也是起点缺陷的短程重排布。,已有的实验,时效后的马氏体经过马氏体逆相变回到母相,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。实验发生的速度非常快,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,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发生在很短的时间尺度内,但原子——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,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,从而消除马氏体时效效应。相比于马氏体时效中点缺陷的扩散,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。计算点缺陷的扩散速率,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。,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性。基于Au-49.5at%Cd合金,利用四端电阻法的实验手段研究了马氏体去时效的。实验结果,对于所选合金样品,如果去时效的时间小于500秒,则其马氏体相变温度不能恢复到时效前的温度,这马氏体时效效应被完全消除。的原子模拟也重现了这一现象,证实了马氏体去时效是一个时间的。在此中,马氏体相变温度的变化了一种新的“母相时效”效应。原子模拟的微观图像,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,系统研究,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,的研究不但在基础研究中具有的,为如何控制时效效应使形状记忆合金被更好的应用了理论指导。关键词：形状记忆合金论文马氏体相变论文时效效应论文分子动力学模拟论文蒙特卡洛模拟论文

摘要4-6

ABSTRACT6-14

1 绪论14-24

1.1 形状记忆合金和马氏体相变14-16

1.1.1 形状记忆合金及其应用14

1.1.2 马氏体相变及形状记忆效应和超弹性14-16

1.2 形状记忆合金中的时效效应16-20

1.2.1 马氏体时效效应16-17

1.2.2 马氏体时效的共有特征17-18

1.2.3 马氏体时效已有理论模型18-19

1.2.4 马氏体时效消除（去时效）效应19-20

1.2.5 母相时效效应20

1.3 科学中的模拟和建模20-22

1.3.1 计算机模拟在现代科学中的应用20-21

1.3.2 不同尺度下的模拟方法21-22

1.4 研究内容及22-24

2 原子模拟方法24-32

2.1 从原子尺度看24

2.2 原子模拟的统计力学基础24-25

2.3 分子动力学（MD）模拟25

2.4 蒙特卡洛（MC）模拟25-26

2.5 分子动力学与蒙特卡洛耦合的原子模拟26

2.6 原子模拟中的关键：势函数26-28

2.6.1 原子间作用势26-27

2.6.2 中的势函数及原子模型27-28

2.7 MD模拟和MC模拟的并行程序设计28-30

2.8 “实验设备”：超级计算机30-32

3 形状记忆合金中马氏体稳定化的微观机制：原子32-39

3.1 引言32

3.2 原子模拟方法32-34

3.3 结果及讨论34-38

3.3.1 马氏体稳定化的原子模拟结果34-35

3.3.2 马氏体稳定化的微观机制35-36

3.3.3 马氏体稳定化微观模型的合理性36-38

3.4 小结38-39

4 形状记忆合金中马氏体时效引起的力学变化的原子模拟：“类橡皮效应”起源的启示39-45

4.1 引言39

4.2 原子模拟39-40

4.3 结果及讨论40-44

4.3.1 马氏体时效引起的力学变化的原子模拟结果40-41

4.3.2 马氏体时效效应半定量化公式41-43

4.3.3 关于“类橡皮效应”起源的启示43-44

4.4 小结44-45

5 马氏体时效消除效应的起源：原子模拟45-52

5.1 引言45

5.2 原子模拟方法45-46

5.3 结果及讨论46-51

5.3.1 马氏体时效消除的两种可能性判定：纯粹的马氏体逆相变亦或逆相变伴随母相时效?46-47

5.3.2 马氏体时效及去时效中的原子（点缺陷）扩散47-48

5.3.3 马氏体时效效应在母相被消除的动力学48-50

5.3.4 点缺陷在母相中扩散的热力学驱动力50-51

5.4 小结51-52

6 形状记忆合金马氏体去时效的时间性：实验和原子模拟52-59

6.1 引言52

6.2 实验及结果52-54

6.3 原子模拟及结果54-58

6.3.1 母相时效效应54-56

6.3.2 形状记忆合金时效效应的统一微观机制56-58

6.4 小结58-59

7 主要和展望59-61

7.1 主要59-60

7.2 展望60-61