納米金屬材料拉伸力學性能的非線性有限元分析.pdf

1、近年來,納米金屬的力學性能研究一直是其研究熱點,其中數(shù)值計算模擬是研究納米材料力學性質的一種重要手段.該文采用原子級模擬技術和傳統(tǒng)的有限元分析相結合的數(shù)值計算方法,研究了納米晶體材料在單向拉伸狀態(tài)下的力學行為,并對晶粒尺寸和孔隙率對其本構關系的影響進行了計算模擬.該文假定納米晶體材料是以界面非晶相為基體而納米單晶為夾雜的復合系統(tǒng),并根據復相材料的微結構特性及變形機制分別推導了晶粒相和界面相的本構模型.其中該論文通過分子動力學理論,采用以

2、局域密度(LDA)近似和二階動量矩(SMA)近似為基礎的多體勢函數(shù),模擬了納米面心立方晶體銀晶界的非線性本構關系.論文根據納米晶體材料的非線性微結構本構方程建立了相應的有限元模型,并借助有限元自動生成系統(tǒng)FEPG有限元源程序,按照推導出的復合系統(tǒng)各相的微分方程和采用的非線性增量迭代算法編寫單元剛度矩陣和算法文件,自行開發(fā)設計了一套解決材料非線性和幾何非線性的納米晶體材料的非線性彈性大變形問題的有限元分析數(shù)值模擬系統(tǒng).該系統(tǒng)克服了納米材料

3、拉伸過程中界面非晶相出現(xiàn)的軟化現(xiàn)象,很好的處理了正負剛度混合的問題,模擬了納米晶體材料從開始加載到晶界軟化,再到晶界徹底斷裂的從而導致整個復合系統(tǒng)斷裂的全過程.數(shù)值模擬結果表明含有納米相的納米晶體材料,其晶粒尺寸與力學性能密切相關.同普通金屬相比,納米金屬具有較高的強度和較低的延展性.模擬發(fā)現(xiàn)隨著晶粒尺寸的減小,晶界所占體積百分數(shù)的增大,納米晶體的非線性本構特征越來越明顯,并且材料的延伸性也在增強,且延伸率較大的則強度比較低.無污染、全

4、致密的納米銀的在晶粒尺寸分別為2、20、60、100nm時,其斷裂強度分別為7.45、7.58、9.14、9.43Gpa,延伸率分別為21.18、14.28、13.64、12.43％.無污染、全致密的納米鐵的延伸率一般要低于8％.模擬發(fā)現(xiàn)納米材料的致密度是影響強度的重要因素.例如,晶粒尺寸為2nm,孔隙率為25％的納米晶體銀的強度比全致密的相應晶粒尺寸的納米銀降低了43.88％.由于納米材料制備技術的局限性和試驗手段的限制,不同學者實驗