CuAlNi合金中相变波与马氏体微结构的交互激励机制研究

Martensitic transformation is of great scientific and engineering importance. However, fundamental problems related to how and why it happens still remain to be answered. Using the CuAlNi shape memory ternary alloy as a modeling material, the current project shows first its intrinsic crystalline instability and then explains how the habit planes form by its anisotropic exciting. Based on a dynamical viewpoint a new martensitic transformation model is proposed, that is, the transformation waves carry the strain disturbance to overcome the transformation barrier and excite the transformation, while the barrier is dynamically altered by the associated elastic stress field. This leads to complicated interactive excitations between the transformation waves and martensitic microstructures, resulting the self-accommodated martensitic microstructures and all crystalline relations. The transformation barrier and its dependence on temperature, composition and local stress environment will be studied first by large-scale molecular dynamics simulations. The macro transformation constitutive relation is then obtained by extracting the mechanics quantities in continuum sense statistically from the atomistic calculations. This constitutive relation, when coupled to the wave equation, enables the tracking of martensitic transformations by a finite difference numerical method. Finally, the acoustic emission will be applied to study the martensitic transformations. The inverse recognition of the acoustic signal will be integrated with numerical simulation to verify the proposed model. This project will deepen the understanding of martensitic transformations.

马氏体相变具有重要的科学研究和工业应用价值，但关于其为何发生、如何发生等相变机理方面的基础问题目前还远不清楚。本项目针对CuAlNi三元形状记忆合金，首先论证了其结构存在的内禀不稳定性，并基于它的各向异性激发合理地解释了惯习面的形成。项目从动力学角度提出新的相变机理，即：相变波携带应变扰动克服相变能垒开启相变，同时通过应力波场动态地改变相变能垒，造成相变波与马氏体微结构发生渐次复杂的交互激励，最后形成自协调的马氏体微结构和各类相变晶体学关系。项目拟先通过大规模分子动力学模拟在原子尺度上确定相变能垒及其对温度、成分和应力环境的依赖关系，并由统计计算提取连续意义下的力学量，得到宏观相变本构关系。然后将其与波动方程耦合，应用有限差分法对相变进程进行数值模拟。最后拟对马氏体相变开展声发射实验研究，结合数值模拟对相变声发射信号进行反演，验证所提相变机理。该项研究将推进对马氏体相变机理的理解。

在文献工作中，对马氏体相变机理中的动力学因素研究得还很不充分。主要是对初始和终了时刻的构型比较明确，但缺乏对相变过程中原子迁移方式的了解。本研究项目提出了相变波和马氏体微结构交互激励的相变机理，并以大规模分子动力学模拟和连续尺度下相变波场模拟作为基本手段，对相变进程中的马氏体孪晶变体的形态变化、微结构的应力应变场、相面界面区的迁移等作了较为详细的研究。项目的主要研究内容分为以下几个方面： .1. CuAlNi马氏体相变2NN MEAM势函数的开发和验证; .2. 多体势有限温度下物质松弛弹性模量的计算; .3. 马氏体微观相变本构的统计确定; .4. 相变界面区的应变梯度和位错;.5. 相变波场的模拟。..项目首先通过大量的优化计算，开发了性能较好的适于CuAlNi正逆马氏体相变模拟的经验势函数。同时，在开发势函数的过程中，解决了一个重要的理论问题：即任意多体势和有限温度下，计算物质的弹性常数中松弛部分的快速方法。研究发现，物质的弹性模量分为三个部分之和，分别对应Born项，松弛项和温度软化项。另外，基于大规模原子模拟数据，编制了自动探测马氏体变体结构的分析程序，得到了相变复杂微结构的空间分布，计算了其应变梯度场，结果揭示了相变界面区复杂交错的台阶和应变分布模式。通过对原子应力的统计，进一步得到了微观相变本构关系。该关系表明在微观上的应力应变本构呈回滞型非线性关系, 与经典的塑性本构有相通之处。基于这一点，利用有限差分法在连续尺度上计算了马氏体相变波的激发和传播过程。..本研究的重要成果包括三个方面: 有限温度下物质弹性常数算法, 势函数参数的确立，以及相变波场与复杂微结构间的相互影响。项目产出将为马氏体相变的机理研究提供基本的模拟工具，加深对马氏体相变动力学过程的认识，为马氏体相变的科学研究和实际应用提供理论支撑。