裂纹的失稳扩展是导致材料失效的直接原因,因此其扩展过程引起了学者们广泛的研究。从微观层面上讲,裂纹扩展的根本原因是原子键的断裂,而原子键断裂会引起材料微观结构的变化,如空位和孔洞的形成、位错形核、微裂纹形核扩展等,这些变化无法通过实验的方法直接观察到,因此需要借助于计算机模拟。通过对裂纹扩展的模拟得出其内在机理,从而为材料的设计提供理论性指导。本文采用分子动力学方法,对单晶γ-TiAl合金在单向加载和循环加载作用下的变形过程进行了研究,并探讨了其在不同微裂纹角度、不同应变比以及不同加载方向的力学性能和变形机理。研究结果表明:1.当微裂纹与加载方向成0°、45°和90°夹角时,观察应力–应变曲线可知,其弹性模量相同,说明夹角对弹性变形没有影响,然而材料的强度极限随着夹角的增大而减小。通过对裂纹扩展过程中原子图的观察可以发现,不同夹角时其塑性变形过程不同,例如层错的形成时间不同、层错密度不同等,另外,夹角对材料失效所需时间也有一定的影响。2.当应变比从0.5到0.9变化时,疲劳裂纹会在不同的时刻开始扩展,应变比越大,裂纹开始扩展所需时间越短,然而在不同应变比作用下,其裂纹扩展方式基本相同,即裂纹均以解理方式开始扩展,随后无序区域形成,裂纹通过驱动力驱动无序区域实现扩展,最后裂纹以子–母裂纹传播机制进行扩展,不同的是裂纹扩展方式的变化发生在不同的时刻。在塑性变形过程中,位错在不同应变比作用下滑移时会有不同的点缺陷形成,并且疲劳裂纹扩展中内禀堆垛层错在不同周期内形成且其密度沿不同密排面变化。3.当加载方向分别沿[010]和[001]晶向时,材料表现出不同的变形机制。通过对比应力–应变曲线可以发现,沿[010]晶向加载时的弹性模量小于沿[001]晶向加载时的弹性模量。在塑性变形过程中,沿[010]晶向加载时有位错的发射,并且位错在滑移过程中有空位等点缺陷的形成,而沿[001]晶向单向拉伸时,裂纹扩展前期无位错发射,后期才有位错从裂尖被发射,且滑移时无点缺陷形成。在循环载荷作用下,沿不同晶向加载所对应的塑性变形过程也不相同,且与单向加载时的塑性变形过程不同。