用分子动力学模拟研究FCC金属的应变率敏感性

论文摘要

本研究分别在细观尺度和微观尺度上,基于位错理论和分子动力学模拟理论,应用位错动力学模拟和分子动力学模拟方法,对金属的应变率效应机理进行了深入研究。金属应变率效应通常是指其力学性能(流动应力和破坏强度等)随应变(或应力)率的提高而增加。金属的应变率敏感性是应变率效应的特征现象。尽管对金属应变率效应进行了许多研究探索,到目前为止,金属应变率效应及其应变率敏感性的物理本质还没有确定,尚需要进一步研究。本研究首先运行位错动力学模拟程序对金属铝的应变率效应进行了模拟计算,通过对模拟结果的深入分析,揭示出被激活位错源数目随着应变率提高而增加的细观现象。基于这一发现并结合位错理论分析,提出了建立应变率与应力联系的新途径,即通过位错源长度来建立流动应力与应变率之间的关系。基于对上述现象的解释分析,提出Orowan关系在应变率效应中所起的重要作用—建立了宏观塑性应变率与细观位错运动性质的联系;提出位错速度对应力的依赖关系是描述位错运动中的动力学关系,提出此动力学关系决定了应变率效应中流变应力的变化。依据Orowan关系和位错运动的动力学关系对应变率效应的细观机理进行了定性解释。依据对应变率效应的解释,对与应变率效应有关的多种试验现象做出了新的分析解释。对材料应变率敏感性随温度变化的现象进行了分析,所得结论与现有试验结果相符;对晶体材料在恒应变率加载下的应力应变曲线进行了分析,明确提出了应力应变曲线中受应变率直接影响部分—过渡段的概念;结合位错运动分析,对恒应变率加载下晶体材料的应力应变曲线进行了解释,深化了对应变率效应的认识;提出了应变率效应与应变硬化效应可分别研究的观点,完善了对应变率效应细观机理的认识。依据位错运动的Orowan关系和研究位错速度对应力依赖关系的分子动力学方法,提出了研究金属原子性质与其应变率敏感性关系的分析方法;然后开展分子动力学模拟来研究位错速度对应力的依赖关系,依据数值模拟结果分析原子性质(原子势,原子量)对金属应变率敏感性的影响。用中等规模的二维分子动力学模型数值模拟分析了FCC金属中位错速度对应力的依赖关系。对模拟结果的分析表明:FCC金属中位错速度对应力依赖关系及其应变率敏感性主要取决于金属的原子量(原子惯性),而不是其原子势。基于上述分子动力学模型,数值模拟了5种FCC金属(铅、银、铜、镍和铝)中位错速度对应力依赖关系。在初始位错分布相同假设下,分析得出这5种FCC金属的应变率敏感性排序与对部分FCC金属应变率敏感性排序的经验性认识相符。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 应变率效应研究进展
• 1.3 多尺度效应的计算模拟
• 1.4 微观尺度现象研究进展
• 1.4.1 平衡分子动力学模拟
• 1.4.2 非平衡分子动力学模拟
• 1.4.3 分子动力学模拟的应用途径
• 1.5 材料性能的细观尺度研究
• 1.5.1 位错理论的研究进展
• 1.5.2 位错动力学模拟
• 1.5.3 基于位错动力学对应变率效应的研究
• 1.6 本章小结
• 第2章 应变率效应的细观尺度研究
• 2.1 引言
• 2.2 位错动力学模拟的基础理论
• 2.2.1 位错运动学
• 2.2.2 位错动力学
• 2.2.3 位错运动方程
• 2.3 位错的远程作用
• 2.3.1 位错的应力场
• 2.3.2 位错远程作用的模拟:超位错方法
• 2.4 位错的近程作用
• 2.5 三维位错动力学模拟
• 2.5.1 弹粘塑性连续介质力学框架
• 2.5.2 三维位错动力学框架
• 2.6 应变率效应的位错动力学模拟研究
• 2.7 位错动力学模拟结果分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于位错理论的应变率机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 位错运动的运动学关系
• 3.3 位错运动的动力学关系
• 3.4 应变率效应的位错机理
• 3.5 恒应变率加载下的材料应力应变曲线
• 3.6 激活位错源数目随应变率增加现象
• 3.7 应变率效应和应变硬化效应的分解
• 3.8 应变率敏感性随温度的变化
• 3.9 多步加载试验的应力应变曲线分析
• 3.10 位错密度对流动应力的影响
• 3.11 本章小结
• 第4章 FCC金属应变率敏感性的分子动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 分子动力学模拟的基本原理
• 4.3 分子动力学模拟的体系状态控制
• 4.4 分子动力学模拟中的势函数
• 4.4.1 两体势
• 4.4.2 多体势
• 4.4.3 势函数的选用
• 4.5 材料细观和微观性质的研究方法
• 4.6 位错速度与应力关系对金属应变率敏感性的影响
• 4.7 金属原子性质对其应变率敏感性的影响
• 4.8 现有对位错速度与应力关系的实验研究
• 4.9 现有对位错速度与应力关系的模拟计算研究
• 4.10 位错速度对应力依赖关系的分子动力学模拟分析
• 4.10.1 位错速度对应力依赖关系的分子动力学模拟
• 4.10.2 原子性质对位错速度对应力依赖关系的影响
• 4.11 本章小结
• 第5章 FCC金属应变率敏感性的模拟结果分析
• 5.1 FCC金属中位错速度对应力依赖关系的模拟分析
• 5.2 模拟结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 全文总结
• 6.1 本文的主要研究工作
• 6.2 研究工作的创新点
• 6.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果