金屬材料結(jié)構(gòu)相變與損傷斷裂的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、金屬材料動(dòng)態(tài)加卸載過程中的相變、斷裂規(guī)律是材料物理、沖擊波物理、武器物理研究中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。相變與斷裂過程涉及納米、微米、亞毫米多個(gè)尺度微結(jié)構(gòu)的演化與作用?；谖锢淼牟牧蟿?dòng)態(tài)本構(gòu)模型的建立需要對(duì)不同尺度微結(jié)構(gòu)的相互作用及演化規(guī)律有較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。隨著模擬方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬成為研究金屬材料微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的有效方法。本文利用LAMMPS程序較系統(tǒng)地研究了壓縮下材料的非平衡相變和拉伸下材料的損傷斷裂過程。具體研究結(jié)果如

2、下:
　　對(duì)壓縮下相疇的形核與長(zhǎng)大機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，單軸均勻壓縮和沖擊壓縮下，相疇形核與長(zhǎng)大的微觀機(jī)理相似。扁平八面體結(jié)構(gòu)是相疇胚核和新舊兩相界面的基本結(jié)構(gòu)單元，相疇借助于扁平八面體的聚集與滑移而形核長(zhǎng)大。相變過程分為四個(gè)階段:(i)在應(yīng)力超過相變閾值的局部區(qū)域，一些原子借助于集體熱漲落偏離其平衡位置，形成兩種變形方向的扁平八面體結(jié)構(gòu);(ii)不同變形方向的多個(gè)扁平八面體結(jié)構(gòu)以孿晶排布方式聚集，形成薄層結(jié)構(gòu);(iii)薄層結(jié)構(gòu)的中心

3、區(qū)域原子經(jīng)歷相對(duì)層間滑移，形成新相結(jié)構(gòu);(iv)新相結(jié)構(gòu)通過在相疇邊界上形成新的扁平八面體結(jié)構(gòu)逐漸長(zhǎng)大。此外，通過對(duì)比初始形核的單個(gè)相疇隨時(shí)間的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)單個(gè)相疇的生長(zhǎng)速度明顯依賴于加載方式和形核時(shí)刻。
　　對(duì)壓縮下相疇的形態(tài)與生長(zhǎng)速度的研究表明，在沖擊壓縮的鐵中，單個(gè)相疇的初始形態(tài)近似為橢球形;相疇的主軸方向?yàn)閇100]，[011]，[01(1)];相疇在三個(gè)主軸方向上的線生長(zhǎng)速度都是超聲速的，約為4×104～5×103m/

4、s;相疇的主軸長(zhǎng)度、表面積、體積與時(shí)間的標(biāo)度關(guān)系近似為L(zhǎng)～t0.465，A～t0.930，V～t1.395?；诮鹌澅ぁ实佬騾?shù)理論和相疇借助于扁平八面體結(jié)構(gòu)組成相界降低勢(shì)壘的原子演化圖像，建立了一個(gè)相變模型，很好地解釋了上述相疇的生長(zhǎng)規(guī)律。此外，通過擬合相變份額曲線，發(fā)現(xiàn)相變份額的演化規(guī)律分為三個(gè)階段:各個(gè)相疇的獨(dú)立形核與生長(zhǎng)階段f～t1.89;形核停止，相疇彼此相互作用階段f～t1.23;相疇彼此碰撞，生長(zhǎng)達(dá)到飽和階段f～t0.8

5、0。
　　對(duì)拉伸下位錯(cuò)產(chǎn)生與空洞成核的起源的研究發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)起源于多個(gè)扁平八面體結(jié)構(gòu)堆垛成的缺陷團(tuán)簇，位錯(cuò)產(chǎn)生過程分為三個(gè)階段:(i)扁平八面體結(jié)構(gòu)借助熱漲落隨機(jī)產(chǎn)生;(ii)多個(gè)扁平八面體結(jié)構(gòu)通過自組織運(yùn)動(dòng)，沿密排面堆垛成雙層缺陷團(tuán)簇;(iii)雙層缺陷團(tuán)簇通過層間相對(duì)滑移，演化為Shockley不全位錯(cuò)。空洞起源于層錯(cuò)交割產(chǎn)生的空穴串，空洞形核過程分為兩個(gè)階段:(i)不同類型的層錯(cuò)面交割產(chǎn)生長(zhǎng)條形的空穴串;(ii)合適的空穴串通

6、過發(fā)射位錯(cuò)轉(zhuǎn)化為空洞。此外，通過模擬六種典型的FCC延性金屬在單軸拉伸下的演化過程，發(fā)現(xiàn)上述提出的位錯(cuò)產(chǎn)生與空洞成核的機(jī)制適用于大多數(shù)低層錯(cuò)能的FCC延性金屬。
　　對(duì)拉伸下單晶金屬中損傷結(jié)構(gòu)的演化的研究表明:溫度的增加和應(yīng)變率的減小都可以降低材料的屈服強(qiáng)度，但是不同溫度下的應(yīng)變-應(yīng)變曲線先于屈服點(diǎn)前開始分離;溫度和應(yīng)變率的增加都可以縮短位錯(cuò)成核與滑移階段的持續(xù)時(shí)間;空洞成核不僅需要較低的屈服強(qiáng)度，也需要較低的層錯(cuò)能。對(duì)照應(yīng)力-應(yīng)

7、變曲線和原子演化圖像，將單軸拉伸下單晶金屬中損傷結(jié)構(gòu)的演化過程分為五個(gè)階段:(i)體系做彈性變形，有效應(yīng)力線性增加;(ii)一些缺陷團(tuán)簇沿拉伸方向隨機(jī)產(chǎn)生，有效應(yīng)力增加到最大值，并開始略微下降;(iii)位錯(cuò)從一些較大的缺陷團(tuán)簇中產(chǎn)生，并迅速增殖和滑移，有效應(yīng)力緩慢下降;(iv)一些空洞從位錯(cuò)聚集區(qū)域形核，并通過發(fā)射位錯(cuò)逐漸長(zhǎng)大，有效應(yīng)力迅速下降;(vi)不同空洞之間相互作用而貫通形成較大的空洞，造成材料內(nèi)部宏觀斷裂，有效應(yīng)力下降到最低