氢原子对双晶α-铁晶界裂纹扩展影响的模拟研究

为从微观角度研究氢原子对α-铁力学行为的影响,并解释α-铁在形变过程中材料微结构演化的细节与规律,采用分子动力学模拟方法研究在拉伸载荷下,氢浓度对含有对称斜晶界的双晶α-铁裂纹扩展的影响。计算结果表明:双晶α-铁的峰值应力随着氢浓度的增加而减小。由于左右裂纹晶向的不同,致使裂纹不对称的开裂。研究发现,氢原子会阻碍裂纹扩展,但氢原子对左右裂纹阻碍的机制不同。研究结果显示,氢原子聚集在左裂纹尖端,增强裂纹尖端区域的局部塑性,阻碍裂纹向左侧的扩展;然而,裂纹右侧区域的氢原子不仅增强裂纹尖端的局部塑性,还促进Hirth位错在右裂纹尖端相变区域的成核,从而有效阻碍右裂纹扩展。     

分子动力学模拟在裂纹萌生和扩展中的研究进展

介绍了分子动力学模拟的基本原理和算法 ,综述了裂纹萌生和扩展的分子动力学模拟的国内外研究进展情况 ,并探讨了裂纹萌生和扩展的分子动力学模拟发展方向     

单晶铝裂纹扩展机制的分子动力学研究

运用分子动力学方法,模拟原子尺寸下中心和边缘裂纹模型的裂纹扩展的微观机理以及温度对裂纹扩展的影响,以单晶铝作为研究对象,采用EMA势计算原子之间的相互作用。模拟结果表明,低温时边缘裂纹模型的屈服应力大于中心裂纹的屈服应力,随着温度的升高,中心裂纹的屈服应力大于边缘裂纹的屈服应力。     

腐蚀损伤处微裂纹成核的分子动力学模拟

针对环境作用下结构表面微裂纹在腐蚀损伤处成核过程的复杂性和在结构寿命评估中的重要性,从微观角度出发,采用分子动力学方法并结合速度Verlet算法,通过求解原子间的作用力和速度,对广泛用于工程结构的单晶铝板,在外界载荷作用下腐蚀损伤处微裂纹成核过程进行模拟。结果表明:随着加载步的增加,模型中的原子先偏离理想晶格位置,随着加载继续进行,腐蚀坑底部原子键开始断裂,在45°的方向萌生出两条微裂纹。     

聚能装药侵彻混凝土裂纹扩展数值模拟分析

为研究小口径紫铜药型罩对混凝土裂纹扩展的影响。用Ansys/LS-DYNA软件数值模拟了不同药型罩锥角、不同炸高和不同靶板边界条件下靶板的裂纹响应过程。结果表明：侵彻体尾裙是影响靶板裂纹扩展时间和程度的重要因素;相同装药结构下自由边界靶相比于半无限靶的裂纹质量损失差值最高为20%;120°锥角药型罩侵彻半无限混凝土靶时,裂纹响应程度比60°锥角药型罩高8.4%;根据靶板响应状态,确定了120°药型罩的最佳炸高为2倍装药直径。研究结果可为小口径装药在新型破障武器中的应用提供参考。     

晶界结构对晶界迁移的影响

采用Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ－Ｓｔｏｃｋｂａｒｇｅｒ法制取了一系列具有不同晶界结构参数的纯Ａｌ双晶试样，分别测定它们在不同加热温度和保温条件下的晶界迁移距离和晶界迁移速率。实验发现，晶界迁移发生于较高的加热温度；晶界迁移对晶界结构很敏感。随着晶界取向差的增大，晶界迁移距离和迁移速率增加。但是，在小角度晶界和某些特殊角度（包括ＣＳＬ）晶界，其晶界迁移距离和晶界迁移速率很低，甚至为零，这可以用这些晶界的能量较低因而晶界结构比较稳定来说明。金相观察还显示了晶界迁移有时呈波浪式移动，有时为平直地朝一个方向移动。分析表明晶界迁移的这两种形态与原始晶界形状有关。     

基于ABAQUS的H13钢裂纹扩展数值模拟

模具的断裂及裂纹萌生与扩展问题一直是影响模具寿命的重要因素。在扩展有限元法基本原理的基础上,以ABAQUS为平台,利用XFEM模拟模具钢H13的裂纹扩展问题,得到单边缺口拉伸试件的裂纹扩展过程及裂纹尖端的应力分布和变化曲线。研究载荷、裂纹长度、构件几何参数对裂纹尖端应力强度因子的影响,输出静态裂纹的应力强度因子,并与解析解进行比较。结果表明,扩展有限元法能够有效进行裂纹开裂及扩展过程的仿真。数值模拟不受单边边界条件的制约,无需单元的局部加密,有效减少单元数量,节省了计算成本。     

基于XFEM的高强桥索钢丝冷拔裂纹扩展数值模拟

基于有限元软件Abaqus,采用扩展有限元法(XFEM)分析高强桥索钢丝冷拔过程的裂纹扩展,研究裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径和裂缝宽度的影响.结果表明:冷拔过程裂纹基本符合I型扩展规律,裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径无显著影响;裂纹位置越靠近中心、裂纹角度数值越小、裂纹长度越长时,裂缝宽度越大;裂纹位置越接近表面、裂纹角度数值越大、裂纹越长时,裂纹闭合越晚.此外,通过预应力冷拔机进行钢丝表面不同角度预制裂纹扩展试验,分析裂纹扩展规律并通过α-γ、α-δ曲线验证了数值模型的可靠性.     

装甲车体疲劳裂纹扩展寿命预测方法研究

以多体动力学和线弹性断裂力学为理论基础,基于虚拟样机技术,通过建立履带式装甲车辆的刚柔耦合模型并对其进行虚拟试验测试,获得车体薄弱部位的应力谱数据;结合裂纹形状尺寸及材料的断裂特性,预测出了车体裂纹从初始长度扩展至一定长度所经历的寿命里程,从而提出了一种比较实用的预测装甲车体疲劳裂纹扩展寿命的技术方法。     

RDX和HMX晶体力学性能的分子动力学模拟及其撞击加载响应

用分子动力学模拟方法研究了RDX和HMX晶体的力学性能。用撞击加载实验、激光粒度仪和扫描电子显微镜分析了两种晶体的破碎特性。结果表明: HMX晶体的弹性系数和模量计算值大于RDX晶体, RDX晶体的延展性好于HMX晶体。在相同撞击加载条件下,RDX和HMX晶体均发生塑性形变和脆性断裂,但前者以塑性形变为主,而后者以脆性断裂为主,且破碎程度更加显著。评价不同炸药晶体力学性能间差异性的分子动力学模拟方法具有较高的准确度和有效性。     

单晶铝孔洞生长的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟不同晶向单轴加载过程中,单晶铝中微纳米孔洞(约1.6 nm)的生长及周围区域的变形过程。为研究晶向对孔洞生长的影响,对具有相同初始孔洞体积分数的两个晶向进行拉伸加载,并对不同温度影响进行研究。结果表明:A晶向(x-[100],y-[010],z-[001])的形变机制主要是{111}晶面部分位错引起的堆垛层错,B晶向(x-[-110],y-[111],z-[11-2])主要是位错的移动与堆积;B晶向比A晶向的位错成核应力大;B晶向屈服应力比A晶向对温度敏感。     

晶界对信号传输的电容效应研究

根据晶界的电阻率大于晶界两侧晶粒的电阻率 ,提出晶界对传输信号影响的电容模型。通过不同温度退火 ,得到含晶界数不同的铜导线 ,将含不同晶界数的铜导线制备成标准的高保真同轴电缆 ,并测量其电容值以及损耗正切值。测量结果表明 :导线的电容值以及正切损耗值随晶界数的增加而降低 ,其数值关系满足关系式。垂直于信号传输方向的晶界对传输信号的影响显著 ,而平行于传输信号的晶界对信号的影响相对弱一些。由于晶界的电容效应 ,晶界增加传输信号的失真度 ,增加同轴电缆对传输信号的衰减量等     

分子动力学模拟单晶纳米铝丝的拉伸破坏

采用原子镶嵌势函数模拟单晶纳米铝丝在受单向拉伸时的变形破坏过程,分析了纳米铝丝的力学性能及微缺陷形成与演化过程。模拟表明纳米金属丝在无外载荷状态存在本征应力,原子缺陷从自由表面开始向内部扩展。自由表面发射位错,位错的移动消耗能量导致了纳米丝的塑性,自由表面原子的不稳定运动降低了纳米丝的强度。模拟得到单晶铝纳米丝的弹性模量和断裂强度,证明纳米丝的破坏从能量平衡角度符合Griffith断裂理论。     

“双峰”时效对7175合金Mg晶界偏析及性能的影响

采用洛氏硬度计、电子拉伸试验机、冲击试验机、透射电镜(TEM)、能谱(EDS)等测试技术对不同时效状态下7175合金的硬度、强度、塑性、冲击韧性、应力腐蚀性能以及晶界附近的化学成分进行系统的分析。结果表明:合金的硬度、强度均具有"双峰"特征;合金的应力腐蚀(SCC)敏感性随时效时间的延长而降低;Mg晶界偏析随时效时间的延长而减少;在第二时效峰状态时合金具有高的硬度、强度、塑性、冲击韧性和抗应力腐蚀性能。运用"相变-Mg-H"理论解释7175合金第二时效峰状态时的高强度、低SCC敏感性机理。     

低压铸造镁合金轮毂温度场及应力场模拟

采用FDM/FEM集成应力分析系统模拟了低压铸造镁合金轮毂的温度场和热应力场。模拟结果显示应力集中位置主要为轮辐-轮辐连接处、轮辐-轮辋连接处、轮辐-轴孔连接处,模拟结果与试制轮毂铸造裂纹多发位置基本吻合。基于模拟结果,对轮毂结构提出改进意见。     

CVD-W的晶界结构及其对塑性形变的影响

为研究化学气相沉积纯钨(CVD-W)的沉积组织生长对晶界结构的影响,以及晶界结构对塑性形变的影响;采用电子背散射技术观察CVD-W的微观组织,分析晶界结构;采用Hopkinson压杆系统进行高应变率压缩试验。结果表明:CVD-W具有显著的<001>晶粒择优取向,晶界呈现Σ3、Σ5等低重合位置点阵的晶界结构特征,其中Σ3具有最高的出现频率;其高应变下的屈服应力明显低于其他制备方法获得的纯钨材料。研究认为由于CVD-W在界面上具有较多的重合位置,晶界处晶格吻合较好,畸变程度低,界面能较低,而且由于低ΣCSL晶界特点,晶界多是由位错构成的;另外晶粒的择优取向使晶粒间在较低的应力下协调形变,因此CVD-W在较低的应力下即可发生塑性形变。