单晶铜破坏机理的多尺度分析

摘要

固体材料在纳米尺寸范围时，呈现出与宏观物体完全不同的特性。随着科学技术的不断发展，固体材料的宏观性能与其微观结构之间的关系已经成为研究热点，通过对固体材料微观结构的观察和分析可以更细致地理解固体材料的各种宏观性能。由于微观缺陷严重地影响着固体材料的宏观性能，而微裂纹又是固体材料中一种常见的缺陷，研究裂纹在不同尺度下的破坏机理具有重要意义。但目前在多尺度下对单晶铜微裂纹扩展机理的研究还比较少，因此，有必要进行这方面的研究工作。　　本文首先应用分子动力学方法和原子-有限元方法分别模拟无缺陷的纳米尺度下单晶铜和微米尺度单晶铜的拉伸试验，给出两种尺度下单晶铜的应力应变曲线，确定屈服极限和强度极限值，并对两种尺度下的力学性能以及宏观尺度下力学性能进行比较和分析。其次，通过分子动力学方法和原子-有限元方法分别模拟了带有 I型穿透裂纹的纳米单晶铜和微米单晶铜的拉伸试验；研究不同温度、不同初始裂纹长度对单晶铜力学性能、系统能量、原子组态以及裂纹扩展机理方面的影响，比较它们存在的差异。　　计算结果表明，对于无缺陷单晶铜，随着尺度的增大，其相应的屈服极限和强度极限随之降低，在纳米与微米尺度下材料进入塑性后均有短暂的强化阶段，数值达到峰值后，单晶铜的强度迅速下降，继续加载单晶铜破坏。　　对于带有I型穿透裂纹单晶铜，随着温度的升高，系统弛豫过程中动能和势能达到稳定的数值和波动幅度不断增大；温度较低时，裂纹的扩展为本征脆性解理扩展，裂尖钝化明显，但不易产生孪晶带；而温度较高时，裂尖附近易出现孪晶带，孪晶带使裂纹分支改变延伸方向。随着初始裂纹长度的加大，裂尖原子之间原有的金属键更容易遭到破坏，裂纹扩展的临界应力随着裂纹长度的加大明显减小；同时，随着裂纹长度的增加，沿解理面出现的裂纹分支网状交叉更加明显。

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1 绪论

1.1分子动力学国内外研究现状

1.2多尺度方法的国内外研究现状

1.3本课题研究的内容和意义

2 多尺度仿真的理论基础

2.1分子动力学的基本原理

2.2原子－有限元法

3 不同尺度下单晶铜拉伸模拟分析

3.1引言

3.2模型的选取

3.3纳米单晶铜拉伸模拟

3.4微米单晶铜拉伸模拟

3.5不同尺度下单晶铜力学性能比较分析

4单晶铜裂纹扩展机理的多尺度分析

4.1引言

4.2纳米单晶铜裂纹扩展机理分析

4.3微米单晶铜裂纹扩展机理分析

4.4两种尺度下计算结果的比较分析

结 论

参考文献

致谢

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