空位对单晶镍层裂影响的原子模拟研究

摘要

研究高压条件下材料的断裂行为对工程力学、科技应用都有非常重要的意义。由于工程材料中各种缺陷的真实存在，使人们不得不关注这些缺陷对材料力学性质的影响。近年来，缺陷对于材料断裂性能的影响引起了广泛的关注，但是高空位浓度对单晶镍层裂的影响还没有系统的研究。因此，本项工作采用了非平衡态分子动力学方法结合一个EAM势以单晶镍作为研究对象系统地研究了高浓度空位缺陷对冲击加载下FCC材料的层裂行为的影响。
　　通过对完美单晶镍在冲击加载下的模拟，发现当冲击强度大于雨贡纽弹性极限时，冲击波将出现双波结构，导致Hugoniot关系Vs-Vp在塑性波追赶上弹性波之前并不呈线性关系。塑性变形主要产生的是层错、位错和空位等缺陷，但是这些缺陷在冲击波松弛的过程中会得到大量的恢复，只留下少量的缺陷为拉伸应力产生新的拉伸塑性提供成核位置。随着拉伸应力的增大，新生塑性相互交错，孔洞则偏向于在这些交错的地方成核生长。
　　通过构建空位浓度分别为0％、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的缺陷模型，发现空位浓度越高，冲击波速度越慢。初始空位导致冲击波出现的双波结构使得自由表面粒子速度不能支撑起一段平稳的冲击平原，而材料层裂损伤却并没有什么影响。一定浓度的随机空位为压缩塑性提供了生长位置，降低了材料强度，使得存在一定空位浓度的样品能在冲击强度较低的情况下仍旧能发生层裂现象。
　　我们还进行了冲击加载方向为[110]和[111]晶向的研究，发现单晶镍是一种典型的各向异性材料，空位浓度对层裂过程的影响与冲击晶向有很大的关系。对于[001]方向，层裂损伤程度在各个空位浓度下的表现都差不多，主要是因为空位浓度对层裂过程有两种影响：一是促进压缩塑性和拉伸塑性生长，二是促进压缩塑性增长的同时耗散了部分的冲击强度。而对于这个方向两种影响是势均力敌的。而对于[110]和[111]晶向，空位浓度大于等于1.5%时，空位缺陷才对冲击过程产生明显的影响，并且这两种影响中冲击强度的耗散占主导地位，所以才导致层裂损伤程度越来越小。

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第一章 绪论

1.1 冲击动力学简介

1.2 材料断裂损伤的研究概况和意义

1.3 缺陷对层裂影响的研究

1.4 本项工作的研究内容及意义

第二章 理论基础和计算方法

2.1 经典分子动力学模拟方法

2.2非平衡态分子动力学模拟

2.3 层裂的理论计算及方法

第三章 高压下完整单晶镍的层裂行为

3.1引言

3.1单晶镍势函数的检验

3.2 模型与计算方法

3.3 完美单晶镍冲击压缩下的Hugoniot响应

3.4 完美单晶镍高压卸载后的层裂损伤

3.5 本章小结

第四章 单晶镍中空位缺陷对层裂行为的影响

4.1 引言

4.2空位缺陷模型构建

4.3空位浓度对Hugoniot响应的影响

4.4 不同空位浓度下自由表面粒子速度的表现及分析

4.5空位浓度对原子微观结构的影响

4.6 本章小结

第五章 单晶镍[110]和[111]晶向上层裂的不同表现

5.1引言

5.2 模型的构建

5.3 不同加载晶向下空位浓度对自由表面粒子速度的影响

5.4 不同加载晶向下空位浓度对微观结构的影响

5.5 不同加载晶向下空位缺陷对微观孔洞演变的影响

5.6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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