有限元模拟镁单晶中纳米孪晶力学行为

摘要

纳米孪晶界作为一种共格的晶体面缺陷，可以改善纳米结构金属材料的强度和塑性。一方面，它们与一般的大角度晶界一样，可以有效地阻挡位错运动，在纳米孪晶界密度较高的情况下，可以大幅度提高材料的强度。另一方面，由于纳米孪晶界的对称性，使得位错可以沿着它运动，因而具有很强的容纳位错的能力，可以提高材料塑性变形的能力，改善了材料的韧性。本文基于有限元和晶体塑性理论，研究镁和铜纳米孪晶的相关力学行为。主要研究内容如下:
　　(1)运用有限元方法构建镁{10(1)2}纳米孪晶模型。当只考虑一层孪晶时，垂直于{10(1)2}孪晶界方向施加拉伸和压缩位移载荷，其结构表现出了各向异性的特性。然后在孪晶界7-10个层错范围内代入纳米孪晶影响区的塑性本构方程，考虑纳米孪晶影响区对孪晶力学性能的影响。通过研究发现，当存在纳米孪晶影响区时，由于考虑到滑移系临界启动应力，只有当受力大小达到滑移系临界启动应力时，才会进入塑性阶段。进入塑性阶段后，位错在右端面逃逸，引起应力释放，使得材料塑性增强。并且随着孪晶层数的增加，镁纳米孪晶塑性阶段平均应力逐渐减小。此外，在拉伸时出现有颈缩现象。不考虑纳米孪晶影响区时，颈缩现象是由于上下界面固定引起的变形，而考虑纳米孪晶影响区时的颈缩现象主要由于孪晶影响区内启动的基面滑移所引起的。拉伸时，孪晶影响区(TBAZ)内应力高于孪晶内部(TI)区域。而压缩时，出现凸出现象，同样不考虑和考虑纳米孪晶影响区引起的凸出现象是由于不同的原因引起。此外，当对镁纳米孪晶施加压缩载荷时，TBAZ内部应力低于TI区域。
　　(2)运用有限元方法构建铜{111}纳米孪晶模型。当只考虑一层孪晶时，垂直于{111}孪晶界方向施加拉伸和压缩位移载荷，其结构与镁孪晶结构一样，具有方向性。然后在孪晶界面区加入纳米孪晶影响区本构方程，考虑纳米孪晶影响区对孪晶力学性能的影响。通过研究结果发现，当存在纳米孪晶影响区时，考虑到<112>{11(1)}位错的滑移启动和孪晶界面对位错的阻碍作用，使得铜纳米孪晶塑性增强。与镁纳米孪晶相比，铜纳米孪晶界面阻碍位错运动的能力要高于镁纳米孪晶。并且随着孪晶层数的增加，孪晶影响区所占体积分数增大，铜纳米孪晶塑性阶段平均应力逐渐增大。此外，拉伸时同样出现颈缩现象，不考虑纳米孪晶影响区时的颈缩现象是由于上下界面固定引起的变形，而考虑纳米孪晶影响区时的颈缩现象是由于启动的<112>{11(1)}滑移引起的变形。拉伸时，TBAZ内应力高于TI区域内。而压缩时，TBAZ区有凸出现象出现，同样不考虑和考虑纳米孪晶影响区引起的凸出现象是由于不同的原因引起的。此外，当对铜纳米孪晶施加压缩载荷时，TBAZ内应力要低于TI区域内。
　　(3)镁纳米孪晶和铜纳米孪晶拉伸及压缩时力学性能的对比研究。当考虑纳米孪晶影响区时，由于考虑了位错的滑移，两者的塑性都得到了提高。但当垂直于镁{10(1)2}纳米孪晶施加荷载时，启动{10(1)0}基面滑移;而当垂直于铜{111}纳米孪晶施加垂直于孪晶面的荷载时，启动<112>{11(1)}滑移系。铜纳米孪晶<112>{11(1)}滑移系的启动应力要远高于镁{10(1)0}基面滑移的启动应力。因此，铜纳米孪晶考虑孪晶影响区时，塑性阶段平均应力要远远高于不考虑纳米孪晶影响区时。而镁纳米孪晶考虑孪晶影响区时，塑性阶段平均应力拉伸时稍高于不考虑纳米孪晶影响区时，压缩时低于不考虑纳米孪晶影响区时。随着孪晶层数的增加，铜纳米孪晶塑性阶段平均应力逐渐增大;而镁纳米孪晶塑性阶段平均应力逐渐降低。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 镁塑性变形机制的研究

1．2 纳米孪晶的研究现状

1．3 镁中的纳米孪晶

1．3．1 实验中观测到的镁纳米孪晶

1．3．2 MD对镁纳米孪晶的研究

1．4 本文研究内容

2 晶体塑性基础理论

2．1 引言

2．2 单晶理论基础

2．3 晶体塑性基本理论

2．3．1 沿基面滑移的剪切变形

2．3．2 沿孪晶界(TB)方向的剪切变形

2．4 晶粒转向矩阵

2．5 本章小结

3 有限元模拟镁单晶中纳米孪晶变形行为

3．1 引言

3．2 有限元模拟镁单晶中纳米孪晶拉伸变形行为

3．2．1 实验数据的修正

3．2．2 纳米孪晶影响区对镁纳米孪晶拉伸力学行为的影响

3．2．3 孪晶层数对镁纳米孪晶拉伸力学行为的影响

3．3 有限元模拟镁单晶中纳米孪晶压缩变形行为

3．3．1 实验数据的修正

3．3．2 纳米孪晶影响区对镁纳米孪晶压缩力学行为的影响

3．3．3 孪晶层数对镁纳米孪晶压缩力学行为的影响

3．4 本章小结

4 镁纳米孪晶与铜纳米孪晶力学性能的对比

4．1 引言

4．2 有限元模拟铜单晶中纳米孪晶拉伸变形行为

4．2．1 纳米孪晶影响区对铜纳米孪晶拉伸力学行为的影响

4．2．2 孪晶层数对铜纳米孪晶拉伸力学行为的影响

4．3 有限元模拟铜单晶中纳米孪晶压缩变形行为

4．3．1 纳米孪晶影响区对铜纳米孪晶压缩力学行为的影响

4．3．2 孪晶层数对铜纳米孪晶压缩力学行为的影响

4．4 镁纳米孪晶与铜纳米孪晶力学性能的对比

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

作者简历

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