金屬材料結構相變與損傷斷裂的分子動力學研究.pdf

1、金屬材料動態(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與難點。相變與斷裂過程涉及納米、微米、亞毫米多個尺度微結構的演化與作用。基于物理的材料動態(tài)本構模型的建立需要對不同尺度微結構的相互作用及演化規(guī)律有較系統(tǒng)的認識。隨著模擬方法和計算機技術的發(fā)展，大規(guī)模分子動力學模擬成為研究金屬材料微結構演化規(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。具體研究結果如

2、下:
　　對壓縮下相疇的形核與長大機理的研究發(fā)現(xiàn)，單軸均勻壓縮和沖擊壓縮下，相疇形核與長大的微觀機理相似。扁平八面體結構是相疇胚核和新舊兩相界面的基本結構單元，相疇借助于扁平八面體的聚集與滑移而形核長大。相變過程分為四個階段:(i)在應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構;(ii)不同變形方向的多個扁平八面體結構以孿晶排布方式聚集，形成薄層結構;(iii)薄層結構的中心

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

4、s;相疇的主軸長度、表面積、體積與時間的標度關系近似為L～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構組成相界降低勢壘的原子演化圖像，建立了一個相變模型，很好地解釋了上述相疇的生長規(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)律分為三個階段:各個相疇的獨立形核與生長階段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，生長達到飽和階段f～t0.8

5、0。
　　對拉伸下位錯產生與空洞成核的起源的研究發(fā)現(xiàn)，位錯起源于多個扁平八面體結構堆垛成的缺陷團簇，位錯產生過程分為三個階段:(i)扁平八面體結構借助熱漲落隨機產生;(ii)多個扁平八面體結構通過自組織運動，沿密排面堆垛成雙層缺陷團簇;(iii)雙層缺陷團簇通過層間相對滑移，演化為Shockley不全位錯?？斩雌鹪从趯渝e交割產生的空穴串，空洞形核過程分為兩個階段:(i)不同類型的層錯面交割產生長條形的空穴串;(ii)合適的空穴串通

6、過發(fā)射位錯轉化為空洞。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)上述提出的位錯產生與空洞成核的機制適用于大多數(shù)低層錯能的FCC延性金屬。
　　對拉伸下單晶金屬中損傷結構的演化的研究表明:溫度的增加和應變率的減小都可以降低材料的屈服強度，但是不同溫度下的應變-應變曲線先于屈服點前開始分離;溫度和應變率的增加都可以縮短位錯成核與滑移階段的持續(xù)時間;空洞成核不僅需要較低的屈服強度，也需要較低的層錯能。對照應力-應

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構的演化過程分為五個階段:(i)體系做彈性變形，有效應力線性增加;(ii)一些缺陷團簇沿拉伸方向隨機產生，有效應力增加到最大值，并開始略微下降;(iii)位錯從一些較大的缺陷團簇中產生，并迅速增殖和滑移，有效應力緩慢下降;(iv)一些空洞從位錯聚集區(qū)域形核，并通過發(fā)射位錯逐漸長大，有效應力迅速下降;(vi)不同空洞之間相互作用而貫通形成較大的空洞，造成材料內部宏觀斷裂，有效應力下降到最低