基于分子动力学的铝材料力学性能及循环外载对其影响的研究

摘要

金属构件在焊接、冲压、铸造和其它许多加工中，均有可能形成残余应力。在许多情况下，残余应力的存在会对构件的机械性能产生极为不利的影响，振动时效工艺是近四五十年来国内外兴起的一种高效环保的消除残余应力的新技术。然而，到目前为止，此项技术并没有得广泛应用。究其原因是振动时效消除残余应力时金属内部(晶体)的微观力学特性和行为不是很清楚，要了解其规律仅依靠宏观的金属连续体模型是无法实现的。因此，只有建立起反映真实微观结构的晶体力学模型，反映金属晶体内部微观力学特性，才能从根本上来研究残余应力的消除问题。
　　本文将以铝材料作为研究对象，根据铝晶体的空间点阵结构建立了由多个晶胞构成的单晶力学模型，采用了分子动力学方法模拟了铝材料在拉伸、压缩与循环振动下的力学行为，为微观上研究振动时效消除机理提供一种思路。主要研究内容和主要结论如下：
　　（1）根据晶体学理论和铝晶体的空间点阵结构，建立了无缺陷和含有空洞点缺陷的晶体力学模型，利用分子动力学方法研究微观晶体结构的力学性质，架起了宏观和微观研究之间的桥梁，为研究振动时效的微观机理打下基础。
　　（2）根据分子动力学和金属物理理论，利用无缺陷晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS，研究了铝材料在拉伸和压缩下的力学性能，研究表明铝材料位错滑移是发生变形的主要原因，变形分为弹性变形阶段和塑性变形两个阶段，在拉伸和压缩负载下，单晶铝材料表现出屈服强度的非对称性，拉伸负载下的屈服强度明显大于相应压缩负载的值。
　　（3）运用分子动力学软件LAMMPS，研究了应变率和温度对铝材料拉伸与压缩力学性能的影响。研究表明，应变率增大，铝材料的拉伸屈服强度随着增大。温度升高，拉伸压缩下屈服强度和弹性模量随之降低。
　　（4）根据分子动力学和材料力学理论，利用无缺陷晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS，研究了动应力对铝材料的应力影响。结果表明，晶体会产生棘轮效应，激振力和激振频率越大，铝材料棘轮效应越明显，且屈服强度逐渐降低，铝材料内的塑性变形更易产生。
　　（5）利用含有空洞点缺陷的晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS，分析了空洞的半径大小、间距和数量对铝材料拉伸与压缩的屈服强度和弹性模量的影响。结果表明，弹性模量、屈服强度随着空洞的半径的增大而减小，随着空洞间距的增到而增大，在空洞总体积不变的情况下，随空洞数量的增多而减小。
　　（6）利用含有空洞点缺陷的晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS进行拉伸模拟分析可知，铝材料在空洞处易产生应力集中，而在动应力加载过程中，空洞处应力逐渐减小，并通过实验进行了验证，结果表明了分子动力学软件LAMMPS建立的模拟模型是正确的。

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第一章 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 分子动力学的基本原理及方法

2.1分子动力学的基本原理

2.2原子间势函数的种类

2.3分子动力学的基本方法

2.4 分子动力学模拟的系综

2.5 系统控制方法

2.6本章小结

第三章 基于分子动力学的铝材料力学性能研究

3.1 铝材料的拉伸力学性能研究

3.2铝材料的压缩力学性能研究

3.3拉伸性能与压缩性能的对比

3.4动应力对材料应力的影响

3.5本章小结

第四章 点缺陷对铝材料拉伸压缩力学性能影响的研究

4.1 点缺陷铝材料模型的建立

4.2空洞对铝材料拉伸性能影响

4.3空洞对铝材料压缩性能影响

4.4 实验验证

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

致谢

附录：攻读学位期间参研项目和发表论文目录