Cu46Zr54非晶合金剪切带分子动力学模拟及孔洞对剪切带的影响

论文摘要

非晶合金具有强度高、弹性极限高、比强度高等特殊的力学性能。然而,非晶合金的变形机理与晶体材料不同。当非晶合金受载超过一定限度时,剪切带形核并扩展。由于它缺少类似于晶体材料中的位错等缺陷来改变和吸收局部集中的形变,塑性变形往往集中在剪切带内。剪切带内的塑性变形超过临界值时,材料失效,但材料的其它区域仍处在弹性变形阶段,使得非晶合金的宏观塑性较差。剪切带的形成机理被普遍认为与非晶合金的特殊的原子结构密切相关,但目前尚未完全理解,且无法对剪切带的形成进行预测。本文通过分子动力学方法模拟Cu46Zr54非晶合金中剪切带的形成和扩展。在不同冷却速率和压力下,模拟出一系列Cu46Zr54非晶合金试样,并对它们进行单向压缩和压痕测试。通过分析不同试样的热力学量、径向分布函数和HA键型指数,初步掌握了冷却速率和压力对微观原子结构和力学性能的影响。并且,通过对局部剪切应变的可视化表征出Cu46Zr54非晶合金在外加载荷作用下剪切带的形成和扩展。在较低的冷却速率下得到的Cu46Zr54非晶合金具有更致密的原子结构,而且分步变速冷却方法是模拟中获得低冷却速率的有效手段。在单向压缩过程中,在低冷却速率下获得的样品容易形成大型的剪切带,而在高冷却速率下获得的样品只形成一些均匀散布的剪切变形区域,并无连续的剪切带形成。压力在非晶合金形成时对非晶合金的原子结构具有双重影响:高的压力有助于非晶合金中自由体积的减少,同时又抑制了原子的长程扩散。非晶合金体系的微观原子结构决定着能否形成剪切带以及引发剪切带所需的外部载荷的大小;局部应力场的分布主导着剪切变形区域和剪切带的形成位置与扩展方向;非晶合金中原子热涨落的幅度决定着原子的移动性,影响塑性变形的集中程度及其宏观力学性能。非晶合金随着剪切带的形成而发生剪切软化现象,不同的非晶合金表现出不一样的塑性变形行为。对多孔非晶合金的模拟表明,孔洞的存在可以提高非晶合金的塑性和蠕变强度。在外加载荷作用时,孔洞垂直于外力方向的两端成为应力集中的区域,诱发了多剪切带的形成。不同孔隙率的非晶合金存在着不同的变形模式。低孔隙率的非晶合金在单项压缩时只沿着一条主剪切带滑移直至失效。而孔隙率相对较高的非晶合金先后沿着多条不同的剪切带滑移。剪切带中的孔洞随着塑性变形的增加而逐渐湮灭。在多条剪切带存在的情况下,非晶合金内的不同区域沿着两条剪切带相向滑移,并发生碰撞导致剪切带的停滞。孔洞的湮灭和剪切带的停滞都伴随着新的结合区域的产生,使得非晶合金的蠕变强度增加。

论文目录

• 中文部分
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 非晶合金的力学性能
• 1.2 非晶合金剪切带研究的现状
• 1.3 非晶合金剪切带的分子动力学模拟的现状
• 1.4 本文的研究方向
• 第2章 分子动力学模拟
• 2.1 原子体系的运动方程
• 2.2 分子动力学模拟的基本要素
• 2.2.1 统计系综
• 2.2.2 原子间的相互作用
• 2.2.3 时间积分算法
• 2.3 物理量的计算
• 2.4 模拟中的软件和硬件
• 2.4.1 LAMMPS
• 2.4.2 Atomeye
• 2.4.3 VMD
• 2.4.4 APAC/VPAC
• 2.5 本章小结
• 第3章 非晶合金的模拟
• 3.1 非晶合金无定形结构的模拟
• 3.1.1 熔化和非晶转变
• 3.1.2 不同的冷却速率与热力学性能的关系
• 3.2 径向分布函数分析
• 3.3 Honeycutt-Anderson键型分析
• 3.4 分步变速冷却方法以及压力的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 非晶合金剪切带的模拟
• 4.1 非晶合金中的剪切带
• 4.2 剪切变形区域理论
• 4.3 局部应变的计算
• 4.4 单向压缩时非晶合金中的剪切带
• 4.4.1 单向压缩的模拟
• 4.4.2 单向压缩时的剪切应变集中
• 4.4.3 单向压缩时的应力-应变曲线
• 4.4.4 热振动对剪切集中的影响
• 4.5 压痕时非晶合金中的剪切带
• 4.5.1 压痕法的模拟
• 4.5.2 压痕下的剪切应变集中
• 4.6 本章小结
• 第5章 多孔非晶合金中的剪切带
• 5.1 多孔非晶合金
• 5.2 单向压缩时多孔非晶合金中的剪切带
• 5.2.1 多孔非晶合金单向压缩的模拟
• 5.2.2 多孔非晶合金中剪切带的形成
• 5.2.3 多孔非晶合金中剪切带的扩展
• 5.2.4 多孔非晶合金的力学性能
• 5.3 含有孔洞的非晶合金在压头下的变形行为
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 外文论文
• 1 Introduction
• 1.1 Mechanical Property of Metallic Glasses
• 1.2 Research Work on Shear Bands
• 1.3 Molecular Dynamics Simulation on Shear Bands
• 1.4 The Purpose of This Work
• 2 Molecular Dynamics Simulation
• 2.1 Equations of Motion for Atomic Systems
• 2.2 Fundamentals of Molecular Dynamics
• 2.2.1 Ensembles
• 2.2.2 Atomic Interaction
• 2.2.3 Time Integration Algorithm
• 2.3 Measurement of Properties
• 2.4 Software and Hardware
• 2.4.1 LAMMPS
• 2.4.2 Atomeye
• 2.4.3 VMD
• 2.4.4 APAC/VPAC
• 2.5 Summary
• 3 Simulation of Metallic Glasses
• 3.1 Generating Amorphous Structure
• 3.1.1 Melting and Glass Transition
• 3.1.2 Cooling Rates and Thermodynamic Properties
• 3.2 Radial Distribution Function Analysis
• 3.3 Honeycutt-Anderson Index Analysis
• 3.4 The Multi-step Quenching Route and Pressure
• 3.5 Summary
• 4 Simulation of Shear Bands
• 4.1 Shear Bands in Metallic Glasses
• 4.2 Shear Transformation Zone
• 4.3 Local Deviatoric Shear Strain
• 4.4 Shear Bands in Uniaxial Compression
• 4.4.1 Simulation Details for Uniaxial Compression
• 4.4.2 Shear Localization in Uniaxial Compression
• 4.4.3 Stress-strain Curve in Uniaxial Compression
• 4.4.4 The Effects of Thermal Motion
• 4.5 Shear Banding in Indentation
• 4.5.1 Simulation Details for Indentation
• 4.5.2 Shear Localization in Indentation
• 4.6 Summary
• 5 Shear Bands in Porous Metallic Glasses
• 5.1 Porous Metallic Glasses
• 5.2 Shear Bands in Compression of Porous Metallic Glasses
• 5.2.1 Simulation Details for Porous Metallic Glasses
• 5.2.2 The Initiation of Shear Bands in Porous Metallic Glasses
• 5.2.3 The Propagation of Shear Bands in Porous Metallic Glasses
• 5.2.4 The Mechanical Property of Porous Metallic Glasses
• 5.3 Shear Bands in Metallic Glasses with Nanovoids
• 5.4 Summary
• 6 Conclusions and Future Work
• 学位论文评阅及答辩情况表