纳米压痕过程的多尺度模拟与Rice-Thomson位错模型分析

采用多尺度准连续介质法（简称QC方法）对单晶Ag薄膜纳米压痕过程进行模拟,研究压头宽度对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度的影响,并用Rice-Thomson位错模型（简称R-T位错模型）进行分析。结果表明,纳米压痕获得的载荷-位移曲线呈现出的不连续性与位错之间的协同作用密切相关;压头尺寸对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度具有明显的影响：随着压头宽度的增加,法向和切向接触应力以及纳米硬度值递减,呈现出明显的压头尺寸效应;而压头下方薄膜内位错形核临界载荷却递增,且与压头半宽度的平方根成正比。模拟结果与相应实验结果以及R-T位错模型计算结果吻合     

Al薄膜纳米压痕过程的多尺度模拟

采用多尺度准连续介质法分别模拟无缺陷和具有初始缺陷两种状态下,单晶Al薄膜纳米压痕初始塑性变形过程,得到载荷-位移响应曲线和应变能-位移变化曲线.研究了初始缺陷对纳米压痕过程中位错形核与发射、Peierls应力以及位错发射.临界载荷的影响.结果表明,在整个纳米压痕过程中出现了多次位错形核与发射现象,初始缺陷对第1和第3对位错的形核与发射影响较小,而对第2对位错的形核与发射具有明显的推迟作用,并伴随有裂纹扩展现象;由于初始缺陷引起薄膜材料内部严重的晶格畸变,导致系统应变能和位错运动的Peierls应力增加;裂纹扩展前,发射第2对位错需要的临界载荷增加,裂纹失稳后,位错发射需要的临界载荷下降.模拟获得的纳米硬度和Peierls应力与实验结果吻合.     

体心立方Fe中微裂纹与间隙型位错环相互作用的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,在原子尺度详细研究了bcc结构Fe中间隙型位错环与微裂纹之间的相互作用过程。模拟结果表明,二者之间的相对距离、裂纹开裂斜率、位错环尺寸以及是否存在自由表面,都对二者的相互作用过程及最终形成的微观结构具有重要的影响。在不同条件下,辐照形成的间隙型位错环与微裂纹的相互作用会形成复杂的辐照缺陷结构、位错环被微裂纹吸收,或者造成裂纹尖端凹凸不平,这些均会对微裂纹的开裂及扩展产生影响,研究结果为理解辐照过程提供一种可能的解释。     

层错能对面心立方金属形变机制与力学性能的影响

层错能在面心立方(fcc)金属塑性变形和损伤过程中具有重要作用,本文主要总结了以下研究结果：(1)随层错能降低,fcc金属滑移方式逐渐从易于交滑移的波状滑移方式转变为平面滑移方式,直至发生变形孪生;(2)为了理解不同位错密度fcc金属中层错能的变化趋势,采用有效层错能的概念,随位错密度增加,有效层错能也随之升高;(3)层错能降低不是决定fcc金属形变孪生发生的唯一因素,通过第一原理计算模拟滑移和孪生之间的竞争关系,建立了fcc金属形变孪生临界判据;(4)通过对高层错能、中等层错能以及低层错能fcc金属疲劳位错组态的实验观察和分析,总结了fcc金属中形成规则驻留滑移带的判定条件;(5)随Al含量增加,Cu-Al合金层错能降低导致平面滑移程度增加,其拉伸强度和均匀延伸率呈现同步提高趋势;(6)采用指数应变硬化模型可精确描述Cu-Al合金拉伸加工硬化过程,进而预测了不同合金成分和微观组织状态Cu-Al合金屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率之间的定量关系;(7)随Al含量增加,Cu-Al合金疲劳强度升高;在相同应变幅下,随Al含量增加,其低周疲劳寿命也升高。表明合金成分明显影响fcc金属形变损伤机...     

基于分布位错法研究多条微裂纹对偏折主裂纹的影响

目的 采用理论方法求解多条微裂纹对偏折主裂纹的影响,重点分析偏折主裂纹尖端的力学行为及微裂纹对主裂纹扩展角度和闭合区域的影响等问题,为实际的工程应用提供理论依据。方法 运用叠加原理将主问题分解成2个子问题,通过材料力学方法求解子问题一;基于分布位错方法求解子问题二。进一步建立关于位错密度的奇异积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积分法解决位错密度方程的奇异性问题,并通过计算机编写程序,最终得到相关力学参量的数值解。结果 得到了偏折主裂纹附近的应力场以及微裂纹长度、微裂纹个数对偏折主裂纹尖端应力强度因子的影响等相关力学参量。分析了主裂纹不同偏折角度时的闭合区域,以及微裂纹的方位角、微裂纹个数等对偏折主裂纹扩展角度的影响。结论 裂纹面对拉应力有屏蔽作用,导致拉应力在裂纹面附近应力松弛,而裂纹尖端对拉应力有放大作用,随着应力增加将导致裂纹的扩展。一条微裂纹位于主裂纹尖端约–30°<θ<50°时,将使主裂纹尖端应力强度因子增加,促进主裂纹的扩展,而微裂纹位于50°<θ<90°或–90°<θ<–30°时,将使主裂纹尖端应力强度因子减小,抑制主裂纹的扩展。主裂纹尖端应力强度因子随微裂纹长度的增加而变大,随微裂纹与主裂纹间距离的增加而减小。     

多级纳米孪晶金属在孪晶界处的堆积位错密度的本构模型和裂纹成核的准则

通过特征体积单元假定孪晶界间距是服从对数分布,同时定量的去讨论在初级孪晶界与晶界交界处和初级孪晶界与次级孪晶界交界处的裂纹成核的机理.基于此研究方向,提出一个自相关性本构模型去定量的描述裂纹成核的准则.结果表明:位错堆积能会随着孪晶界厚度的增大而增大.而且,计算得到的位错堆积能与经验值存在着差异.     

B2结构的铝-镝金属间化合物位错性质的研究

采用截断近似法,研究了B2结构的铝-镝(B2-Al Dy)金属间化合物{110}面的位错性质。结果表明,伯格斯矢量为<110>方向的螺位错、刃位错和混合位错的芯宽度都要比<100>方向窄。它们相应的不稳定层错能存在γus<110>大于γus<001>的关系,可见,不稳定层错能是影响具有B2结构的金属间化合物位错性质的重要因素之一。B2-Al Dy滑移系为<111>{110}的位错,除了位错角为54.7°的位错以外,其他位错角的弹性应变能都要大于失配能,而且在相同周期内看,它们的相位总是相反;位错角为54.7°的位错,失配能比弹性应变能大,而且两者在相同周期内同相位。总体来说,B2-Al Dy的{110}面上<100>、<110>和<111>方向的位错,随着位错角的减小(<111>方向的54.7°的位错角除外),总能量以及相应的应力都依次增大。     

金属变形过程的微观组织表征和多尺度建模方法

不同条件下金属材料变形过程的组织演变规律和形/相变机理是本构建模的基础,利用先进表征工具开展的研究不断深化对微观结构和宏观现象间关系的认识,多尺度计算模型的发展促进金属加工及服役过程的形/性预测精度逐渐提升.综述了近年来透射电子显微镜、扫描电子显微镜和三维X射线衍射等先进表征方法的发展及其在探究金属材料组织演变规律和形...     

6061合金近液相线铸造微观组织的多尺度模拟

建立了描述近液相线半连续铸造过程的温度场模型和微观组织演变模型,通过固相率变化将介观尺度上的Cellu-lar Automaton(CA)计算和宏观尺度上的有限差分耦合起来,实现合金凝固组织演变的多尺度模拟。通过模拟和试验研究了6061合金在不同浇注温度和铸造速度下初生相的演变。结果表明,浇注温度对初生相形貌的影响最大,当浇注温度在液相线附近并且保温一段时间,初生相为理想的近球状组织;6061合金的最佳工艺条件是浇注温度为940K、铸造速度为0.02mm/s、冷却水强度为0.05m3/min,与试验吻合。     

基于真实微观组织的双相钢力学行为多尺度模拟

以两种不同化学成分和马氏体含量的双相钢为研究对象,对其显微组织进行了有限元建模。选取一部分显微组织作为代表性单元RVE来反映宏观材料特性,考虑合金成分和铁素体晶粒尺寸的影响,采用基于位错强化理论的Bailey-Hirsch模型描述铁素体和马氏体单相的流变行为,在ABAQUS中模拟了RVE的单向拉伸过程。结果表明,多尺度模型可以较好的预测宏观力学性能,并能合理的反映双相钢变形过程微观尺度的应力应变行为。     

半固态材料微观结构统计特征的多尺度研究

利用组织定量分析的原理,从微观机理与宏观特性相结合的角度对半固态材料2次重熔过程中微观结构特征(固相颗粒大小分布和体积百分比分布等)的统计性质进行多尺度分析与研究,得到固相颗粒大小和体积分数的统计规律.同时对结果进行了讨论,根据研究结果可知统计分布概率密度函数与加热温度有着紧密的联系.     

多层陶瓷电容器用钛酸钡超微粉体的制备研究

论述了碳酸盐共沉淀法制备多层陶瓷电容器(MLCC)用钛酸钡超微粉的新工艺.原料采用TiCl4和BaCl2,以(NH4)2CO3+NH3·H2O作为沉淀剂,对TiCl4浓度、沉淀反应温度、反应物钡钛比、煅烧温度等因素对钛酸钡超细粉理化指标的影响进行了系统研究,并将所制粉体用于制备X7R型MLCC瓷料.结果表明在控制(NH4)2CO3/BaCl2(摩尔比)=1.2、体系终点pH＞9、TiCl4/BaCl2(摩尔比)=1～1.02,TiCl4浓度为0.6 mol/L、沉淀温度为20℃、煅烧温度为1020℃、煅烧时间为1.5h的条件下,可以制得粒径在0.1μm～0.3μm之间的钛酸钡超细粉,所制备X7R型MLCC瓷料的瓷片介电性能为ε25=3200～3700,tgδ=0.7×10-2,△C/C(-55℃～125℃)≤14%,ρ≥1012Ω·cm.     

B4C/6061Al复合材料热压缩断裂行为的多尺度研究

运用实验和模拟仿真相结合的方法研究了B_4C/6061Al复合材料的热压缩断裂行为,确定了损伤模型及损伤参数。建立了单向多尺度有限元模型,分析了B_4C/6061Al复合材料的细观损伤机理。结果表明,由于B_4C/6061Al复合材料内部不均匀的细观结构,剪切损伤模型不能预测其断裂行为,而GTN损伤模型能准确预测B_4C/6061Al复合材料的热压缩断裂行为。通过与实验结果的比较,确定了31% B_4C/6061Al (质量分数)复合材料的GTN模型损伤参数,从而使模拟和实验获得的裂纹深度和载荷-位移曲线高度一致。此外,利用单向多尺度有限元法准确地分析了B_4C/6061Al复合材料热压缩过程的细观损伤机理,即热压缩过程中出现的宏观裂纹是由颗粒的脆性断裂、基体和界面的脱黏以及基体的延性损伤导致的。