复合载荷(I/II)下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究

论文摘要

本文采用基于第二代Brenner作用势的分子动力学方法,利用边界层圆盘模型位移加载,计算分析了单晶金刚石中预制原子裂纹在Ⅰ/Ⅱ复合型载荷下,其裂纹端部原子结构演化:晶格滑移、位错、键断裂等问题。第一部分:分析了含(010)[100]裂纹的单晶金刚石在Ⅰ/Ⅱ复合型载荷下裂纹起裂、端部原子结构演化。对加载复合角θ( K II / K I= tanθ)分别取0°、30°、45°、60°、90°,计算了临界应力强度因子,分析了晶格滑移、位错、键断裂等问题。发现当KⅠ、KⅡ逐渐增大至临界值时,裂纹尖端原子键开始断裂形成新的环状结构,如七元环、五元环等结构,裂纹进入陷阱区,并扩展;加载复合角的不同,裂纹的扩展和滑移产生的方向随之改变。第二部分:分析了含(110)[110]裂纹的单晶金刚石在Ⅰ/Ⅱ复合型载荷下裂纹起裂、端部原子结构演化。对复合角θ分别取0°、30°、45°、60°、90°,计算了临界应力强度因子,分析了晶格滑移、位错、键断裂等问题。发现当KⅠ、KⅡ逐渐增大至临界值时,裂纹尖端钝化促使裂纹张开,裂纹面变宽,并伴随子裂纹产生;裂纹取向不同,其尖端滑移、开裂模式和临界K值均不同。第三部分:比较了含(010)[100]裂纹和含(110)[110]裂纹的单晶金刚石在Ⅰ/Ⅱ复合型载荷下的临界应力强度因子,分析了预制原子裂纹晶面、晶向的选取的对单晶金刚石复合型裂纹开裂的影响。发现含(010)[100]裂纹和含(110)[110]裂纹的单晶金刚石裂纹开裂时,裂纹尖端原子具有不同的断裂模式,临界K值也不相同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 断裂的研究进展
• 1.2.1 断裂类型
• 1.2.2 宏观断裂
• 1.2.3 原子断裂
• 1.3 金刚石简介
• 1.3.1 金刚石的性质
• 1.3.2 单晶金刚石的晶格结构和结合性质
• 1.4 论文的研究内容和意义
• 第二章 基本理论和研究方法
• 2.1 分子动力学方法
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 周期性边界条件
• 2.1.3 基本方程和算法
• 2.1.4 原子间相互作用势
• 2.1.5 模拟的系综
• 2.1.6 分子动力学模拟的基本步骤
• 2.2 圆盘边界层模型
• 2.3 断裂准则
• 2.3.1 应力强度因子准则（K 准则）
• 2.3.2 裂纹扩展的微观描述
• 第三章 含（010）[100]预制初裂纹的单晶金刚石复合断裂
• 3.1 模型和计算方法
• 3.1.1 模拟模型
• 3.1.2 计算方法
• 3.2 模拟结果与讨论
• 3.2.1 加载复合角θ =0°
• 3.2.2 加载复合角θ =30°
• 3.2.3 加载复合角θ=45°
• 3.2.4 加载复合角θ=60°
• 3.2.5 加载复合角θ=90°
• 3.3 本章小结
• 第四章含（110）[110]预制初裂纹的单晶金刚石复合断裂
• 4.1 模拟模型和计算方法
• 4.2 模拟结果与讨论
• 4.2.1 加载复合角θ=0°
• 4.2.2 加载复合角θ=30°
• 4.2.3 加载复合角θ=45°
• 4.2.4 加载复合角θ=60°
• 4.2.5 加载复合角θ=90°
• 4.3 预制初裂纹晶向对单晶金刚石裂纹扩展的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果