加载速率对单晶γ-TiAl裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究微观尺度下单晶γ-TiAl裂纹的扩展过程,运用嵌入原子势进行模拟,得到裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,比较分析不同加载速率对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示对裂纹扩展的影响。研究表明:随着加载速率的增大,体系的原子运动加剧,总能量上升到峰值的剧烈程度增加,试件断裂的时间缩短,所需的应变越小,而裂纹扩展的形态没有变化;总能量随时间的演化曲线只出现一个峰值。应力-应变曲线中只有弹性阶段,没有塑性阶段,加载速率对拉升过程的弹性变形机理没有影响。     

铌对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展影响的分子动力学模拟

为了研究微观尺度下铌元素对单晶γ-TiAl裂纹扩展过程的影响,运用分子动力学方法,建立γ-TiAl合金的晶体结构模型,模拟边缘裂纹扩展的过程,得到了裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,分析了铌元素对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示了铌元素对裂纹扩展的影响。研究结果表明:加入铌元素后,在相同的应变率条件下,试件的断裂时间延长,能量变化曲线有两个波峰并且出现明显的上下波动的现象;随着应变增加,应力先增大后逐渐减小;裂纹扩展缓慢,形成的断面不平滑,而且裂纹扩展的形态也发生变化。     

温度对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响的分子动力学模拟

用分子动力学方法从原子尺度对单晶γ-TiAl合金中心裂纹的扩展机理进行了研究,模拟了不同温度下预制中心裂纹的扩展过程。结果表明:随着温度升高,裂纹的启裂时间变长,启裂应力值分别为5.64GPa、4.58GPa和4.27GPa;裂尖和边界发射的位错数目随温度的升高而增多;温度为300K时,裂纹先脆性扩展,出现分枝后,裂纹通过裂尖发射位错向前扩展,扩展过程为塑性扩展;温度达750K时裂纹出现分枝,扩展过程为塑性扩展,此时的裂纹扩展速率慢于300K时的裂纹扩展速率;950K时裂纹没有出现分枝,扩展过程为塑性扩展且扩展速率最快;三种温度下裂纹扩展过程均出现裂尖钝化与偏折现象。     

裂纹位置对含铌γ-TiAl合金裂纹扩展影响的分子动力学模拟

为了研究微观尺度下裂纹相对位置对3%铌含量的单晶γ-TiAl合金裂纹扩展过程的影响,运用分子动力学方法,建立γ-TiAl合金的晶体结构模型,模拟边界裂纹和中心裂纹扩展的过程,得到了裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,分析了裂纹位置对3%铌含量的单晶γ-TiAl合金能量和应力-应变关系的影响,进而揭示了裂纹位置对裂纹扩展的影响。研究结果表明:中心裂纹的γ-TiAl合金在其拉伸初始阶段,受力并不集中,随后由于原子键的断裂形成了孔洞,孔洞部位抑制裂纹的扩展,因此裂纹要继续扩展需要克服更大的阻力。裂纹在中心位置和边界位置对γ-TiAl合金产生的力学影响不同,边界裂纹对材料产生断裂的危害性更大。     

单晶γ-TiAl合金微裂纹扩展行为的分子动力学模拟

为了从微观原子结构探索γ-Ti Al合金裂纹扩展的机理,研究了恒定加载速度下温度对γ-Ti Al合金中裂纹扩展的影响。采用分子动力学方法对单晶γ-Ti Al合金中预置微裂纹的扩展过程进行模拟,研究表明,室温下裂纹呈脆性解理扩展,中、高温时,裂纹在扩展过程中发射位错,裂尖钝化并伴有偏转;随温度的升高,微裂纹由脆性解理扩展向韧性扩展转化,裂纹扩展速率减慢,材料塑性增加;裂尖发射的位错堆积在边界附近,使得位错堆积处萌生空洞缺陷,随着加载的继续,空洞最终长大形成微裂纹,出现边界开裂的现象。     

单晶γ-TiAl合金中裂纹沿[111]晶向扩展的分子动力学研究

为了从微观角度探索γ-TiAl合金中特定晶向的裂纹扩展机理,研究了γ-TiAl合金中[111]晶向微裂纹扩展的过程及其断裂机理。首先在单晶γ-TiAl合金中预置[111]晶向的微裂纹,然后通过分子动力学方法模拟该裂纹的扩展过程,最终分析了裂尖原子组态变化、微裂纹扩展路径以及应力-应变情况。研究表明,该晶向的微裂纹不是沿直线扩展,而是启裂时裂尖发生偏转,表现出明显的取向效应;微裂纹以裂尖发射滑移位错以及裂尖上形成孪晶的方式进行扩展;受边界的影响,微裂纹扩展到一定阶段会在边界位错堆积处萌生子裂纹,且扩展机制与主裂纹类似;在两个裂纹尖端发射滑移位错的相互作用下,在主裂尖前端再次萌生子裂纹,最终主、子裂纹相连导致断裂;微裂纹扩展过程中的应力分布主要集中于裂尖和扩展过程中形成的孪晶面上,并且随着微裂纹的扩展,裂尖应力值随时间的增大而减小。     

孔洞对含Nb单晶γ-TiAl合金力学性能的影响

采用分子动力学方法研究了孔洞尺寸、数量以及位置对含Nb单晶γ-TiAl合金力学性能的影响,分析了材料内部的微观缺陷演化及其与材料力学性能之间的关系。结果表明:Nb元素的加入提高了单晶γ-TiAl合金的屈服强度和弹性模量;随孔洞尺寸和数量的增加,含Nb单晶γ-TiAl合金的屈服强度依次减小,这主要是因为孔洞在拉伸过程中充当位错源的作用,它为位错的形核和发射提供了条件;多个孔洞平行于拉伸方向分布时,材料的屈服应力最大,垂直于拉伸方向分布时,材料的屈服应力最小,最容易导致材料失效。     

单晶γ-TiAl合金微观滑移机制的研究

针对单晶γ-TiAl合金微观滑移机制方面研究的不足,建立了单晶γ-TiAl合金单轴拉伸时晶体滑移几何模型,根据几何模型中各夹角之间的几何关系和由Weiss晶带法则给出的滑移方向,计算出了单滑移系中各个滑移方向上的Schmid因子;通过对比计算结果发现在设定条件下晶体更易产生滑移的方向为(001)[01-1]和(11-1)[110];在由主滑移系和交滑移系组成的双滑移系同时开动时,计算出了临界外加拉伸应变为0.633;通过数值模拟验证了所给出的单晶γ-TiAl合金单轴拉伸时的微观滑移机制的正确性。     

切削深度对单晶γ-TiAl合金亚表面缺陷及残余应力的影响

本工作采用分子动力学方法模拟了单晶γ-TiAl合金在不同切削深度下的切削过程,分析了不同切削深度下微观缺陷演化及稳定切削后的内应力演变,研究了切削后残余应力和von Mises应力等在不同切削深度下的分布规律,讨论了不同切削深度下位错和层错等微观缺陷演化及内应力演变之间的关系.结果表明:位错反应及层错演化随着切削深度的增加越来越剧烈,位错反应对Lomer-Cottrell位错的形成影响较大;刀具挤压工件表面形成的残余压应力受层错演化及位错反应的影响,位错反应的剧烈程度影响内应力的大小,且残余压应力存在于亚表面下的一定深度内;同时发现切削深度的变化对von Mises应力的影响较小.     

外应力场下NiAl合金微裂纹动态扩展的分子动力学模拟

目的 对NiAl合金中不同晶体取向的裂纹扩展动力学行为进行原子尺度研究,明晰在塑性变形过程或实际应用过程中裂尖的脆性解理和塑性变形行为,为研究NiAl合金的塑性变形行为和评估服役寿命提供理论基础。方法 建立了4种不同取向的裂尖模型,其扩展取向分别为(010)[001]、(0■1)[100]、(010)[101]、(01■)[011],用分子动力学方法对上述模型进行模拟,采用Gear算法计算原子在真实受力状态下的运动情况。结果 在NiAl合金中,微裂纹在外载作用下的裂尖反应强烈依赖于裂纹取向（裂纹面及裂纹前沿方向）。{110}裂纹面的裂纹构型易于脆性解理扩展;{100}裂纹面的裂纹构型具有一定的塑性,裂尖处可形成位错发射,位错的出现可以协调塑性变形,模拟结果与实验观察相一致。结论 裂纹的晶体取向对裂尖的马氏体相变行为有重要影响,当裂纹前沿为<100>方向时,原子在裂纹前端的{100}滑移面上运动,诱导B2相转变成L10相,产生马氏体相变,这种马氏体相变有利于相变增韧,能够促进裂尖处位错发射,可提升材料塑性和服役寿命。     

聚丙烯材料中孔洞对裂纹影响的实验研究

本文在缺陷体流变学的理论框架下，运用云纹法，对聚丙烯材料试件中孔洞对主裂纹的影响进行了实验研究，初步探讨了孔洞对静止主裂纹的影响。     

水膜对单晶铜三体磨料磨损影响的分子动力学模拟

为了给材料化学机械抛光提供理论指导,从纳米和原子层面研究材料磨损的过程及机制.基于分子动力学方法,在微观尺度下研究了含水膜单晶铜的三体磨料磨损过程,探究了水膜对单晶铜三体磨损的过程影响.研究发现:一方面,在磨损过程中磨料的运动方式为滚动,随着载荷增加和水膜增厚,其运动方式有向滑动转变的趋势;且在相同条件下,这种转变的趋...     

空位浓度对γ-TiAl合金力学性能的影响

利用分子动力学方法在不同温度下对含不同空位浓度的γ-TiAl合金进行拉伸模拟,分别研究了Ti空位和Al空位对材料力学性能的影响。研究结果表明:在温度为1K时,随着Ti和Al空位浓度的增加,材料的极限应力呈非线性下降。但是,含Ti空位的模型比含Al空位模型的极限应力下降的慢。这主要是由于γ-TiAl合金中Ti空位和Al空位的空位形成能的不同导致其扩散系数有较大差异。当温度在300～1100K时,屈服强度随温度的升高而降低,并且温度对势能的影响较大,温度越高,势能越大。     

分子动力学模拟纳米铜晶体中晶界对空穴扩展的影响

用分子动力学方法模拟了∑9对称倾侧晶界铜双晶在拉伸变形过程中晶界对空穴扩展的影响.模拟结果表明:晶界对空穴沿界面的扩展起促进作用,但同时又阻碍空穴越过晶界向另一晶粒扩展;空穴离晶界较远时,晶体在变形过程中表现出比较明显的塑性;空穴的存在会降低晶体的强度,并且空穴离晶界越近晶体强度越低.     

单晶硅预制初裂纹扩展行为的分子动力学研究

采用基于Stillinger-Weber作用势的分子动力学方法研究了单晶硅预制初裂纹前缘方向分别为[100]、[110]、[111]晶向的裂纹扩展行为.模拟结果表明:低温时裂纹尖端形成新的环状结构,温度逐渐升高后,出现母-子裂纹传播机制,裂纹前缘方向为[111]晶向的初裂纹扩展呈现出明显的取向效应.     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明：对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

铌和钨对γ-TiAl基合金热稳定性的影响

采用光学显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，X射线衍射研究了TiAl—5Nb，TiAl—14．3Nb，TiAl—8Nb—1W，TiAl—12．3Nb-2W四种合金片层组织在1000℃的热稳定性。结果表明，TiAl—12．3Nb-2W合金热稳定性最好，但合金元素对TiAl基合金热稳定性的影响机理还有待进一步的研究。     

混凝土裂纹扩展过程模拟的扩展有限元法研究

扩展有限元法(theextendedFiniteElementMethod,XFEM)为数值模拟结构裂纹扩展过程提供了一条有效途径。该文介绍了用扩展有限元法对混凝土结构裂纹扩展过程进行数值模拟的实现方法。采用虚拟裂缝模型模拟混凝土非线性断裂行为,针对二维四边形单元推导了详细的有限元列式。采用3种方案对非线性方程系统进行求解,分析了其求解思路并概括了其求解步骤。通过对带初始边缘裂纹的单向拉伸混凝土板的数值模拟,对3种求解方案的计算结果进行了分析和讨论。     

玻璃表面裂纹扩展的数值模拟

在玻璃上预制可控表面裂纹，测得裂纹沿长度方向的扩展数据，利用裂纹扩展阻力轴曲线，对表面裂纹的扩展作数值模拟，得到裂纹深度和深长比数据，为了解表面裂纹的扩展过程提供依据。     

单晶锗纳米尺度分层多次切削的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了单晶锗材料在多次切削过程中晶体结构的演化和相变.比较了在相同的总加工深度下采用两次不同预设切削深度加工单晶锗后表面/亚表面损伤程度、温度和应力的变化.研究结果表明:切削过程中切削区原子发生高压相变,原子结构从Ge-Ⅰ结构转变为无定形结构,使工件发生塑性变形,切屑以塑性方式去除;切削结束后由于压力...