应用分子动力学格波理论研究NiAl合金的力学性质

将晶格动力学理论和固体力学相结合，建立了分子动力学的格波理论。该理论将符合周期性几何结构的三维晶体看作代表性体元，研究晶体在有限温度下的本构关系。首先将原子的热运动看作是在原子平衡位置附近的高频小幅振动，直接求得简洁明了而严格的原子动力学方程。进而导出原子动力学方程的简谐近似。基于周期性边界条件，建立晶格振动的特征方程，求得晶体固有频率和原子动力学方程组的解析解。在此基础上求得有限温度下，三维晶体的热应力。该理论有效地克服了经典分子动力学在时间尺度和空间尺度上的困难。本项目选择NiAl合金为研究对象，应用分子动力学格波理论，在有限温度下，将分子动力学本构关系推广到NiAl合金的塑性变形，加工硬化，超塑性和高温蠕变变形行为；研究本构关系随NiAl合金的晶粒尺寸变化的规律，探讨当晶粒尺寸在纳米范围内的本构关系的有效性。将分子动力学格波理论应用于小角度晶界和重合位置点阵界面结构，得到本构关系。

基于有限温度的热应力理论，运用嵌入原子法，对NiAl合金的力学行为和热力学性质进行了分析，重点关注了它的一些基本力学参量受温度影响的情况以及相关的应力应变关系，可以分为以下三个部分：.首先，找出Ni-Al体系原子间交互作用势的具体形式，并根据第一性原理的计算结果对势函数进行了微小的修正。结合-NiAl合金的微观晶体结构和固体物理的格波理论，建立了Al原子与Ni原子振动的动力学方程组，方程组中的所有参数均可以通过原子间交互作用势计算得出。.其次，根据动力学方程组，结合有限温度平衡以及热应力理论，求解NiAl声子谱，以及随温度变化的热容、晶格常数、热膨胀系数、热应变、体积模量、弹性常数等数据，计算结果与实验值符合得比较好。.最后，根据已经建立的单晶弹性常数与多晶弹性常数之间的转换关系，由NiAl单晶弹性常数求解出多晶NiAl的杨氏模量随温度变化的曲线，得到的结果也与实验数据符合得比较好。结合NiAl的单轴压缩应力应变实验数据与屈服强度数据，拟合并建立了一个简单的NiAl弹塑性本构方程。这一本构方程能预测不同温度下NiAl的力学行为。.本项目对NiAl合金材料，而且对于单晶铜，多晶铜和铝等材料，运用分子动力学格波理论，也获得了很好地成果。选择单晶材料金属Cu为研究对象，有二个理由。一是FCC铜晶体原子结构比较简单，描写铜晶体的LJ势函数，已经被大量使用和广泛接受；二是铜单晶体和多晶体随温度变化的实验数据易于找到。便于本项目的理论计算的预测结果与实验对比。