多种载荷下金属材料变形与破坏机理的微观数值模拟研究

摘要

随着现代工业的高速发展，金属材料在航空、航天、武器装备及机械设备等领域的关键部件上有着广泛的应用，这些部件在服役过程中难免会发生变形甚至失效破坏现象。而材料的宏观力学性能取决于其自身微观结构特性。一般情况下，金属材料承受的工作载荷可归结为三种：单轴拉伸、循环载荷和冲击载荷，同时金属材料在制造过程中不可避免产生微缺陷，例如微孔洞、微裂纹等。因此，为了分析金属材料宏观失效破坏的原因，本文将采用分子动力学方法研究金属材料在三种不同载荷形式下的微观变形与破坏机理。　　本文主要研究内容和结论如下：　　运用分子动力学方法模拟了含孔洞缺陷单晶α-Ti单轴拉伸过程，并讨论了模型尺寸、应变率和孔洞体积分数对单晶α-Ti力学性能的影响。研究发现：在8×108s-1拉伸作用下，孪生变形和位错滑移产生的堆垛层错是单晶α-Ti应力-应变曲线出现双屈服现象的原因；材料的初始屈服强度和初始屈服应变随着模型尺寸和孔洞体积分数的增大而减小，而随着加载应变率的增大而增大；材料的杨氏模量只对孔洞体积分数敏感，并随着孔洞体积分数的增大而减小。　　研究了循环载荷下单晶Ni3Al疲劳裂纹扩展行为，讨论了裂纹初始构型、应变比对中心疲劳裂纹扩展机制的影响。研究发现：(110)[(1)10]裂纹由于原子键断裂直接以解理方式扩展，裂纹扩展速率最快；(111)[(1)10]裂纹在裂尖出现严重的钝化现象，裂纹宽度逐渐增加，裂纹扩展速率最慢，但具有最好的塑性；(010)[100]裂纹在裂尖出现钝化现象，应力集中在裂尖附近使得原子键发生断裂出现微孔洞，孔洞逐渐形成为子裂纹，最后子裂纹与母裂纹贯通发生扩展；(101)[010]裂纹由于滑移带的激活裂尖出现钝化，随着循环次数的增加，裂纹沿着滑移带滑移的方向以I+II混合断裂模式扩展。　　研究了冲击载荷下单晶Ni损伤模型参数识别及微观机理。研究发现：当体系温度为1350K接近单晶镍熔点时，体系的压力-时间曲线出现了异常的两个极小值，通过CNA、RDF、势能分析得出：第一个极小值对应长程有序的损失，体系内没有出现孔洞，第二个极小值对应由于应力集中导致原子键断裂，此时体系出现孔洞成核和初始生长；采用改进遗传算法得到了不同温度下NAG损伤模型的最佳拟合参数，发现随着温度的增加，单晶镍的成核、生长阈值和粘性系数都逐渐降低；在高应变率三轴拉伸作用下，应力集中使原子键发生断裂导致孔洞成核、快速生长，当系统压力小于孔洞生长阈值时，孔洞之间的位错滑移使原子结构重新排序，产生了{111}堆垛层错，此时孔洞贯通是孔洞体积增长的主要方式。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 基本计算理论及方法

2.1分子动力学模拟基础

2.1.1 数值积分算法

2.1.2 统计系综

2.1.3 控温控压技术

2.1.4 边界条件

2.2 微结构的表征技术

2.2.1 中心对称参数

2.2.2 公共近邻分析方法

3 单晶α-Ti单轴拉伸下的微观变形机理及力学性能研究

3.1 引言

3.2 单晶α-Ti孔洞生长过程的微观变形机理及力学性能

3.2.1 模型及参数设定

3.2.2 结果与讨论

3.2.3 小结

3.3 模型尺寸的影响

3.4 应变率的影响

3.5 孔洞体积分数的影响

3.6 本章小结

4 循环载荷下单晶Ni3Al疲劳裂纹扩展行为研究

4.1 引言

4.2 计算模型及模拟方法

4.2.1 初始模型的构建

4.2.2 模拟方法

4.3 结果与分析

4.3.1 裂纹构型对裂纹扩展的影响

4.3.2 应变比对裂纹扩展的影响

4.4 本章小结

5 冲击载荷下单晶Ni损伤模型参数识别及微观机理研究

5.1 引言

5.2 计算模型与方法

5.2.1 孔洞成核生长模型（NAG）

5.2.2 改进遗传算法

5.2.3 分子动力学模拟

5.3 结果与讨论

5.3.1不同温度下单晶镍三轴均匀拉伸的分子动力学模拟

5.3.2 基于改进遗传算法NAG损伤模型参数的识别

5.3.3 三轴均匀拉伸过程中孔洞成核、生长微观机制

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果