金属材料结构相变与损伤断裂的分子动力学研究

摘要

金属材料动态加卸载过程中的相变、断裂规律是材料物理、冲击波物理、武器物理研究中的热点与难点。相变与断裂过程涉及纳米、微米、亚毫米多个尺度微结构的演化与作用。基于物理的材料动态本构模型的建立需要对不同尺度微结构的相互作用及演化规律有较系统的认识。随着模拟方法和计算机技术的发展，大规模分子动力学模拟成为研究金属材料微结构演化规律的有效方法。本文利用LAMMPS程序较系统地研究了压缩下材料的非平衡相变和拉伸下材料的损伤断裂过程。具体研究结果如下:
　　对压缩下相畴的形核与长大机理的研究发现，单轴均匀压缩和冲击压缩下，相畴形核与长大的微观机理相似。扁平八面体结构是相畴胚核和新旧两相界面的基本结构单元，相畴借助于扁平八面体的聚集与滑移而形核长大。相变过程分为四个阶段:(i)在应力超过相变阈值的局部区域，一些原子借助于集体热涨落偏离其平衡位置，形成两种变形方向的扁平八面体结构;(ii)不同变形方向的多个扁平八面体结构以孪晶排布方式聚集，形成薄层结构;(iii)薄层结构的中心区域原子经历相对层间滑移，形成新相结构;(iv)新相结构通过在相畴边界上形成新的扁平八面体结构逐渐长大。此外，通过对比初始形核的单个相畴随时间的演化规律，发现单个相畴的生长速度明显依赖于加载方式和形核时刻。
　　对压缩下相畴的形态与生长速度的研究表明，在冲击压缩的铁中，单个相畴的初始形态近似为椭球形;相畴的主轴方向为[100]，[011]，[01(1)];相畴在三个主轴方向上的线生长速度都是超声速的，约为4×104～5×103m/s;相畴的主轴长度、表面积、体积与时间的标度关系近似为L～t0.465，A～t0.930，V～t1.395。基于金兹堡—朗道序参数理论和相畴借助于扁平八面体结构组成相界降低势垒的原子演化图像，建立了一个相变模型，很好地解释了上述相畴的生长规律。此外，通过拟合相变份额曲线，发现相变份额的演化规律分为三个阶段:各个相畴的独立形核与生长阶段f～t1.89;形核停止，相畴彼此相互作用阶段f～t1.23;相畴彼此碰撞，生长达到饱和阶段f～t0.80。
　　对拉伸下位错产生与空洞成核的起源的研究发现，位错起源于多个扁平八面体结构堆垛成的缺陷团簇，位错产生过程分为三个阶段:(i)扁平八面体结构借助热涨落随机产生;(ii)多个扁平八面体结构通过自组织运动，沿密排面堆垛成双层缺陷团簇;(iii)双层缺陷团簇通过层间相对滑移，演化为Shockley不全位错。空洞起源于层错交割产生的空穴串，空洞形核过程分为两个阶段:(i)不同类型的层错面交割产生长条形的空穴串;(ii)合适的空穴串通过发射位错转化为空洞。此外，通过模拟六种典型的FCC延性金属在单轴拉伸下的演化过程，发现上述提出的位错产生与空洞成核的机制适用于大多数低层错能的FCC延性金属。
　　对拉伸下单晶金属中损伤结构的演化的研究表明:温度的增加和应变率的减小都可以降低材料的屈服强度，但是不同温度下的应变-应变曲线先于屈服点前开始分离;温度和应变率的增加都可以缩短位错成核与滑移阶段的持续时间;空洞成核不仅需要较低的屈服强度，也需要较低的层错能。对照应力-应变曲线和原子演化图像，将单轴拉伸下单晶金属中损伤结构的演化过程分为五个阶段:(i)体系做弹性变形，有效应力线性增加;(ii)一些缺陷团簇沿拉伸方向随机产生，有效应力增加到最大值，并开始略微下降;(iii)位错从一些较大的缺陷团簇中产生，并迅速增殖和滑移，有效应力缓慢下降;(iv)一些空洞从位错聚集区域形核，并通过发射位错逐渐长大，有效应力迅速下降;(vi)不同空洞之间相互作用而贯通形成较大的空洞，造成材料内部宏观断裂，有效应力下降到最低值。
　　这些研究结果很好地解释了实验中观察到的一些现象，并为相关力学过程的介观描述和宏观物理建模奠定了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 金属材料相交的研究现状

1．2．2 金属材料断裂的研究现状

1．3 本文的主要内容

参考文献

第二章 相变与位错引论

2．1 相变的基本原理

2．1．1 相交的分类

2．1．2 相变的形核与长大

2．1．3 相变动力学

2．2 位错的基本性质

2．2．1 位错的基本类型

2．2．2 位错的Burgers矢量

2．2．3 位错的运动

2．2．4 位错的成核与增殖

参考文献

第三章 分子动力学简介

3．1 原子间势函数

3．2 运动方程的积分算法

3．3 体系的边界条件

3．4 体系的控制方法

3．5 模拟的基本步骤

参考文献

第四章 分子动力学后处理程序简介

4．1 GISO框架程序简介

4．1．1 空间多级树

4．1．2 基于空间多级树的快速搜索

4．2 金属材料微结构识别与分析

4．2．1 识别微缺陷结构

4．2．2 构造微结构的几何特征

4．2．3 计算微结构的物理属性

参考文献

第五章 压缩下相畴的形核与长大机理

5．1 引言

5．2 模型

5．3 模拟结果分析

5．3．1 相畴的形核与长大机理

5．3．2 加载方式对相畴演化的影响

5．4 结论

参考文献

第六章 压缩下相畴的形态与生长速度

6．1 引言

6．2 模型

6．3 模拟结果分析

6．3．1 结构相变的微观演化

6．3．2 相畴的形态与生长速度

6．3．3 相变份额的演化规律

6．4 结论

参考文献

第七章 拉伸下位错产生与空洞成核的起源

7．1 引言

7．2 模型

7．3 模拟结果分析

7．3．1 位错产生的起源与Burgers矢量计算

7．3．2 空洞成核的起源及空间分布

7．3．2 不同材料中的位错产生与空洞成核

7．4 结论

参考文献

第八章 拉伸下单晶金属中损伤结构的演化

8．1 引言

8．2 模型

8．3 模拟结果分析

8．3．1 应力-应变响应

8．3．2 微结构的演化过程

8．4 结论

参考文献

第九章 总结与展望

个人简历

致谢