有孔纳米单晶铜薄膜拉伸断裂特性的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟有孔纳米单晶铜薄膜的拉伸断裂过程.通过施加拉伸应变驱动原子运动和小孔变形,展示有孔纳米单晶铜薄膜随应变增加的原子位形直观分布;超过弹性极限后,位错发生于小孔的应力集中处.计算所得原子平均能量随变形的增长趋势,结果表明,有孔纳米单晶铜薄膜的变形机制可以显著地分为三个阶段,弹性延伸、塑性滑移、沿位错线开裂.     

收敛楔中黏塑性流体动力润滑性能及边界滑移行为

根据高速重载工况下收敛楔中流体润滑膜所呈现的黏塑性流变行为,选取了Smith流变模型推导得到收敛楔中发生边界滑移后的黏塑性流体动力润滑方程。并针对等温常黏不可压缩流体动力润滑问题,根据润滑膜中切应力分布情况及最大切应力所在位置给出了润滑过程中初始滑移位置,滑移区域发展方式及分布的理论分析。通过联立求解不同区域的黏塑性流体动力润滑方程基础上,对多种膜厚比和运动润滑表面速度下的收敛楔中黏塑性流体动力润滑特性及其边界滑移行为进行分析,并与经典流体动力润滑理论解进行对比,结果表明膜厚比和运动润滑表面速度对黏塑性流体动力润滑性能及边界滑移行为有显著的影响。     

2219铝合金热压缩时的流变应力本构方程

采用Gleeble-3180型热模拟试验机对2219铝合金进行单道次热压缩试验,研究了该铝合金在温度为200~350℃、应变速率为0.1~10.0s-1条件下的流变行为,建立了2219铝合金热压缩时的流变应力本构方程,并进行了试验验证。结果表明:2219铝合金的流变应力随应变速率的增大或变形温度的降低而增加;由Fields-Backofen本构方程计算得到的2219铝合金应力的变化规律与试验得到的相同,且应力计算值与试验值的相对误差小于5%,该本构方程可以较准确地描述2219铝合金的高温流变行为。     

基于应变梯度塑性理论的纪念币压印成形数值模拟

为了准确体现纪念币压印成形工艺中由于精细浮雕导致的尺寸效应,从Taylor位错模型出发,基于应变梯度塑性理论,建立了压印成形的本构方程。采用纳米压痕试验,获得了Ag999的材料内禀尺寸以及统计存储位错密度和几何必须位错密度的非线性耦合关系。将建立的本构方程用于计算某钥匙纪念币压印成形过程中的压印力变化曲线,并与试验结果进行对比,结果表明,建立的本构方程能够体现压印成形工艺中的尺寸效应,可有效改善压印力的预测精度。     

基于分子动力学模拟的纳米铝板力学性能与缺陷演化过程的尺寸效应研究

采用分子动力学方法模拟了不同分子动力学模型尺寸对含初始裂纹缺陷纳米单晶铝板在拉伸载荷作用下的裂纹缺陷演化过程的影响。结果表明:随着模型尺寸增大,材料的屈服应力减小,屈服点提前,断裂韧性提高。在弹性阶段,材料变形与体系内部原子的点缺陷和面缺陷相关;在塑性变形阶段,材料变形与位错增殖和滑移相关。裂纹尖端处应力集中是裂尖附近晶体结构发生相变的原因,能量在相变后释放导致应力松弛所致。     

带孔纳米单晶铜悬臂梁弯曲的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程。通过一端固定另一端施加横向作用力驱使原子运动,得到纳米单晶铜悬臂梁弯曲的变形图。对其不同于宏观连续介质理论的位移-载荷曲线进行分析,给出了合理的解释。结果表明:纳米尺度下的微缺陷对纳米单晶铜悬臂梁的性能具有明显的影响;尺寸效应和表面效应的影响,以及位错滑移和弛豫的综合作用,使得纳米单晶铜悬臂梁在纳米尺度下表现出与宏观尺度下不同的力学特性。     

α+β两相区压缩变形后TC21合金的显微组织模拟

使用Gleeble-3500型热模拟试验机对轧制态TC21合金在α+β两相区进行压缩变形试验,研究了合金在不同热变形温度(870～960℃)、不同应变速率(0.001～1 s-1)条件下的组织和流变应力曲线,建立了流变应力本构方程和动态再结晶位错密度模型,并进行了显微组织模拟及验证.结果表明:合金的流变应力曲线呈现的软...     

Fe-3.0%Si-0.09%Nb取向硅钢的高温流变应力

通过热模拟试验机测定了Fe-3.0%Si-0.09%Nb取向硅钢在不同变形温度和应变速率下的真应力-真应变曲线,分析了变形参数对流变应力的影响规律,通过线性回归分析计算出该取向硅钢的热变形应力指数n以及变形激活能Q,并构建了流变应力本构方程。结果表明:该取向硅钢的真应力-真应变曲线为动态回复型,其变形时的流变应力主要取决于变形温度和应变速率;当应变速率一定时,流变应力随着变形温度的升高而减小;变形温度一定时,流变应力随着应变速率的增大而增大;用构建的Fe-3.0%Si-0.09%Nb取向硅钢流变应力本构方程计算得到的流变应力与通过试验测得的结果相吻合。     

纯钛微镦粗过程的试验研究

在微成形试验机上利用自制的模具对纯钛圆柱试样进行微镦粗试验,研究试样尺寸、应变速率对微塑性成形流变应力的影响。研究表明:相同温度和压下速度下,随着试样尺寸的降低,流变应力呈明显的减小趋势,这种现象可以用表面层模型进行解释;流动应力随着应变速率的提高有增大的趋势,这是由于应变速率的提高导致位错与晶格缺陷等的相互作用来不及发生,致使材料的流变应力增大。     

高能球磨热压烧结制备块状纳米晶体镍的动态冲击性能

用高能球磨结合热压烧结工艺制备出块状纳米晶体镍,并利用Hopkinson压杆对其进行动态冲击性能试验。结果表明:块状纳米晶体镍具有较高的抗冲击强度,可达到565 MPa,且冲击强度随着应变速率的升高而增大;同时,块状纳米晶体镍的塑性应变硬化率比较小,表现出平稳的塑性流变行为;基于试验结果,预测块状纳米晶体镍的变形机理是由位错滑移和晶界滑移共同控制的。     

过共晶Al-Si合金半固态触变成形本构方程

通过对过共晶Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金进行半固态单向压缩热模拟试验,研究变形温度为833 K、853 K 、873 K,应变速率为0.1 s–1、0.01 s–1、0.001 s–1的半固态触变成形行为。试验结果表明,变形抗力随变形温度的升高而降低,随应变速率的增加而增大。对试验得到的真实应力应变曲线进行分析,提出将不同真应变范围的半固态触变成形过程划分为类弹性变形、应变硬化和流变-黏塑性变形阶段的新方法,并分阶段建立半固态触变本构方程,采用多元回归得到各阶段的本构方程表达式。所建半固态触变本构方程与试验曲线的比较结果表明,大多数相关系数均在0.95以上,相伴概率均小于0.001,说明根据所建本构方程计算得到的真应力-真应变曲线与试验曲线吻合良好,所建本构方程有意义且具有较高的精度,能够体现出该合金半固态触变过程变形行为,可以将其应用于过共晶Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金半固态触变成形过程的数值模拟。     

基于多尺度晶体塑性有限元的GCr15轴承钢拉-压不对称性研究

将应力三轴度引入晶体塑性本构模型,从宏、细观尺度阐明了造成GCr15轴承钢拉-压不对称性的原因.首先,拓展晶体塑性本构模型,在滑移系中引入应力三轴度对屈服准则和流变准则的影响.其次,采用了基于代表性体元(RVE)的多尺度晶体塑性有限元仿真模拟,对GCr15轴承钢的准静态单向拉伸和压缩试验进行了数值实现.研究结果表明,由...     

Cr9Mo高合金钢的热流变应力本构方程

采用Gleeble-1500D型热模拟试验机对Cr9Mo高合金钢进行热压缩变形,研究了该钢在温度1 173~1 473 K和应变速率10-3~1 s-1条件下的热塑性变形行为;并基于经典的应力-位错关系和动态再结晶动力学理论,分别建立了Cr9Mo钢的加工硬化-动态回复和动态再结晶两阶段的流变应力本构方程。结果表明:所建立的两个阶段的流变应力本构方程与试验曲线吻合较好,可以用该方程来预测Cr9Mo钢的高温流变行为。     

18CrNiMo7-6齿轮钢的热压缩变形行为及显微组织演变

采用热模拟方法研究了18CrNiMo7-6齿轮钢在变形温度900～1 150℃、应变速率0.01～5 s^-1条件下的热压缩变形行为;建立了基于Arrhenius模型的全应变本构方程,采用该方程对流变应力曲线进行预测;根据动态材料模型绘制热加工图,并结合热加工图系统地研究显微组织演变特征。结果表明：试验钢的峰值应力随应变速率的增加或变形温度的降低而增大,动态回复和动态再结晶是热变形过程中的主要软化机制;采用建立的全应变本构方程预测得到流变应力曲线与试验结果基本吻合,预测真应力与试验结果的相对误差小于4.715%,说明该模型可以精确地模拟18CrNiMo7-6齿轮钢的热压缩变形行为。试验钢的适合热加工工艺参数为变形温度1 050～1 150℃、应变速率0.1～1 s^-1,此时组织为均匀细小的再结晶晶粒,晶粒尺寸在5～15μm。随着变形温度的升高或应变速率的降低,原始奥氏体晶粒不断被动态再结晶晶粒取代,且动态再结晶程度和再结晶晶粒尺寸增大。     

单晶铜纳米压印亚表层晶体结构演变机理

为研究纳米压印中单晶铜亚表层晶体结构演变机理,采用分子动力学方法构建纳米压印仿真模型并模拟单晶铜纳米压印过程。采用改进的中心对称参数法分析单晶铜试件位错形核过程及缺陷演化机理,发现纳米压印时位错缺陷在压头下方形核并沿{1 1 1}滑移系向试件内部扩展形成堆垛层错,试件表面有原子台阶残留,试件亚表面损伤层存在V形位错等典型缺陷。针对位错形核区域及位错扩展区域材料晶体结构状态的识别,采用球谐函数法对模拟结果进行分析。由分析结果可知:位错形核区域材料晶体结构由FCC转变为排列更为紧密的HCP和ICO结构;位错扩展区域材料主要转变为DFCC结构。     

基于准连续介质理论的单晶铜纳米切削过程仿真

为了提高计算精度和扩大计算尺寸,克服分子动力学模拟方法计算效率低、模拟尺寸小、边界条件影响大等特点,本文采用多尺度准连续介质力学数值方法对单晶铜纳米切削过程进行仿真,探究单晶铜的纳米切削机理。验证了不同的刀具前角、切削厚度对切削过程中的位错、切削力和残余应力的影响。实验结果表明,当采用同一把刀具时,随着切削厚度的增加切削过程中的切削比能逐渐减小而位错深度、残余应力均相应增加。当采用同一个切削厚度,不同的刀具前角时发现,采用负前角切削过程中的切削力波动范围最大。     

基于变形机制的P91钢蠕变行为分析

利用一种基于变形机制的本构模型对P91钢蠕变行为进行了研究.结合试验数据发现,最小蠕变速率与蠕变过程中的施加应力呈现出明显的指数关系,且与不同的变形机制间存在紧密联系.通过将位错滑移、位错攀移以及晶界滑移三种变形机制引入传统Norton幂律方程,对P91钢在580℃～620℃温度、135 MPa～200 MPa应力条件...     

基于Johnson-Cook模型构建M50NiL齿轮钢的流变应力本构方程

利用Gleeble-3500型热模拟试验机,研究了M50NiL齿轮钢在变形温度为1 123.15~1 423.15K、应变速率为0.005~10s-1条件下的变形行为,并对实测流变曲线进行了摩擦修正;基于应变速率和变形温度对金属高温变形的耦合效应,建立了基于Johnson-Cook(J-C)模型的耦合流变应力本构方程并进行了验证。结果表明:对试验钢流变曲线摩擦修正后,得到的流变应力比实测值小;经变形参数耦合修正后的J-C耦合本构方程计算得到的流变应力与摩擦修正后流变应力的平均相对误差为3.08%,其预测精度高于传统J-C本构方程(平均相对误差为14.31%)的。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]钛合金热成形工艺形变与组织演变耦合多尺度仿真研究进展

讨论了钛合金高温变形晶体塑性有限元模拟的研究进展,并分析了晶体塑性模型在钛合金细观尺度不均匀变形和组织演化方面的应用;围绕钛合金热成形过程变形与组织演变耦合模拟需求,讨论了钛合金高温成形统一黏塑性本构模型的发展过程,并介绍了统一黏塑性本构模型在钛合金热成形工艺的应用实例。统一黏塑性本构模型考虑了钛合金高温变形过程中回复、再结晶、相变、损伤等组织演变行为与宏观应力应变之间的耦合作用,为实现钛合金构件形状尺寸和组织性能的精确预测和成形工艺优化提供了有效的手段。最后分析了钛合金热成形工艺多尺度建模仍存在的问题,并展望了多尺度建模的发展趋势。     

定向凝固NiAl-25Cr多相合金的超塑性研究

研究了定向凝固NiAl-25Cr合金的超塑性行为。通过OM、SEM和TEM观察合金超塑性组织和测试力学性能，结果表明：定向凝固Ni-25Al-25Cr合金由β—NiAl枝晶干、β-Cr枝晶间、枝晶干内的细小β～Cr颗粒以及枝晶间的β-NiAl＋α-Cr共晶组成；合金超塑性变形的屈服应力和流变应力随着应变速率的增大和温度的降低而增大；在温度为850～1100℃，应变速率为1．67×10^-4～1．67×10^-2s^-1内，拉伸延伸率在80％～160％之间；合金超塑性变形后，枝晶干沿拉伸轴方向伸长，而且枝晶干被新的小晶粒分割；合金超塑性变形来自于加工硬化（位错滑移）和应变软化（动态回复和动态再结晶）的平衡。