金属材料微观损伤的分子动力学研究

论文摘要

对微观损伤演化规律的认识是金属材料断裂建模的基础。分子动力学模拟是研究金属材料微观塑性变形、相变、微观损伤断裂等微观力学规律的有效方法。本文采用分子动力学方法模拟了高应变率拉伸条件下：（1）面心立方单晶铜中微空洞的成核与早期生长；（2）含纳米空洞的单晶铜中位错成核的微观机理；（3）空洞生长与贯通的尺寸效应。使用键对分析技术、团簇分析和界面构造技术等分子动力学后处理方法分析了缺陷结构和空洞界面的演化规律。具体研究结果如下：对高应变率拉伸条件下完整单晶铜中微空洞成核与早期生长过程的细致分析表明,微空洞在位错密集区通过位错攀移形成空穴串而成核,损伤区域的应力分布波动不大,局部负压集中不是微空洞成核的原因。伴随周围材料的塑性变形,微空洞由长条形逐渐演化为柱形-椭球形-类球形。最后与邻近空洞相互作用而贯通为一个更大的空洞,造成材料内部的宏观断裂。在含双纳米空洞的单晶铜体系中,微空洞在位错密集的交汇处成核,其形状受交汇处位错线运动方向的影响,类似扁三角形,并在位错滑移与攀移的作用下逐渐演化为类球形。含纳米空洞的单晶铜中位错成核的微观机理研究结果表明,高应变率单轴拉伸单纳米空洞单晶铜时,微空洞表面同时启动4个滑移体系,位错优先在这4个滑移体系上成核、迁移；在无穷边界上施加恒常应力条件下,滑移面上沿滑移方向上的分切应力可以很好地解释位错成核现象；受滑移系的影响,空洞形状演化为类八面体。单轴拉伸不同空间分布的双纳米空洞单晶铜时,不同分布的空洞周围呈现不同的位错形貌、滑移速度和空洞增长速度。这是由于双空洞的作用使空洞周围呈现不同的应力集中区,而位错成核需要一定宽度的应力集中区域。面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应的相关研究结果表明,不同尺寸的微空洞都是通过空洞表面发射位错长大与贯通的,随空洞尺寸的减小,临界屈服应力逐渐增大。当微空洞半径较大时,位错在空洞表面对称成核、迁移,微空洞沿加载方向被拉长,演化过程相似；当微空洞半径较小时,位错在空洞表面不对称成核,微空洞沿垂直方向被拉长。微空洞的生长可以分为弹性变形、独立长大、融合贯通和平稳生长四个阶段。独立生长阶段随尺寸的减小逐渐缩短甚至消失。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 金属材料损伤断裂的实验研究
• 1.2.2 金属材料损伤断裂的理论研究
• 1.3 本文的主要内容
• 参考文献
• 第二章 位错引论
• 2.1 晶体中的缺陷
• 2.2 位错的基本性质
• 2.2.1 位错的基本类型
• 2.2.2 位错的运动
• 2.2.3 位错的应力场
• 2.2.4 位错间的交互作用
• 2.2.5 位错的成核与增殖
• 2.3 实际晶体中的位错组态
• 2.3.1 堆垛次序和汤普森四面体
• 2.3.2 不全位错
• 2.3.3 扩展位错与位错锁
• 参考文献
• 第三章 分子动力学简介
• 3.1 分子动力学发展应用简介
• 3.2 分子动力学方法的基本原理
• 3.3 分子动力学模拟基本技术
• 3.3.1 势函数
• 3.3.2 运动方程的积分算法
• 3.3.3 边界条件
• 3.3.4 体系的控制方法
• 3.4 分子动力学模拟基本步骤
• 3.5 不同系统的分子动力学模拟
• 参考文献
• 第四章 后处理程序介绍
• 4.1 后处理技术发展简介
• 4.2 空间物体的通用索引
• 4.2.1 空间多级树
• 4.2.2 基于SHT的快速搜索
• 4.3 鉴定原子类型程序
• 4.4 鉴定界面程序
• 参考文献
• 第五章 高应变率拉伸下微空洞的成核与早期生长
• 5.1 引言
• 5.2 模型
• 5.3 模拟结果分析
• 5.3.1 完整单晶铜中微空洞的成核与早期生长
• 5.3.2 含双空洞单晶铜中微空洞的成核现象
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 含纳米空洞单晶铜中位错成核的微观机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型
• 6.3 模拟结果分析
• 6.3.1 含单纳米空洞的单晶铜中空洞生长与位错成核
• 6.3.2 含双纳米空洞的单晶铜中空洞生长与位错成核
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应
• 7.1 引言
• 7.2 模型
• 7.3 模拟结果分析
• 7.3.1 单轴拉仲作用下空洞的生长与贯通
• 7.3.2 空洞尺寸效应
• 7.4 结论
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 个人简历
• 致谢