不同约束对含穿透直裂纹镍纳米晶体断裂行为影响研究

发布时间：2020-06-20 23:57

【摘要】：作为航空发动机及燃气轮机中的关键性结构材料,镍基高温合金在制造、运输以及装配过程中不可避免的出现一些微孔洞、微裂纹等微观缺陷,从而引起变形扩展甚至断裂失效。因此,从原子尺度研究裂尖位错萌生、运动以及三维应力状态分析具有重要的意义。本文利用分子动力学方法,基于嵌入原子势函数模拟了不同约束下含穿透直裂纹的纳米Ni晶体在受单轴拉伸载荷时的力学性能,主要包括以下内容:(1)厚度约束对含穿透直裂纹纳米Ni单晶断裂行为的影响利用分子动力学方法,模拟了不同厚度含穿透直裂纹纳米Ni单晶在I型拉伸载荷下的力学行为。发现构件的弹性极限随着厚度的增大先增大后减小并逐渐趋于稳定,厚度为4 nm时试样表现出最大的弹性极限。小于4 nm厚度的试样中大部分区域存在着离面约束作用从而弹性极限较小;大于4 nm厚度的试样由于拥有充足的空间使得位错堆积从而产生较强的应力集中,弹性极限也逐渐下降。厚度越大,表现出更好的塑性。此外,随着厚度由有限增加到无限厚度,可以观察到试样由柔性转化为脆性。(2)位移约束对含穿透直裂纹纳米Ni单晶断裂行为的影响利用分子动力学方法,模拟了4 nm厚位移约束的含穿透直裂纹纳米Ni单晶在I型拉伸载荷下的力学行为。发现与厚度方向自由试样不同,位移约束试样厚度方向最外侧原子受到稳定的离面约束,在拉伸过程中不会产生位错滑移现象。试样内部的离面约束也维持在稳定的水平,裂尖应力沿厚度方向均匀分布。随着应变的增加裂纹稳定扩展直至试样断裂,整体表现为脆性。(3)晶界约束对含穿透直裂纹纳米Ni晶体力学性质的影响利用分子动力学方法,模拟了含穿透直裂纹立方体纳米Ni多晶在I型拉伸载荷下的力学行为。发现与同尺寸单晶试样不同,由于晶界约束的存在,多晶试样的弹性阶段不是完全的线弹性,在达到弹性极限后,进入类似低碳钢单轴拉伸实验中的屈服阶段及强化阶段。在整个拉伸过程中,试样中的裂纹均未发生明显的扩展。且在塑性阶段出现大量缓慢滑移的位错,因此拥有相当长的塑性变形。多晶Ni试样整体表现出“裂纹不敏感”的性质。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O733;TB383.1
【图文】：

二维图,纳米材料,零维,几何特点

化学、生物等领域已经相继出现了许多革命性的进展尺度如分子、原子等纳米尺度下操纵物质的构想，纳化学、生物、材料等多种学科交叉的科学。就正式宣布启动国家纳米技术计划（National Nanotec将纳米材料定义为尺寸在 1 至 100 纳米之间的物体，在此之后，欧盟、日本、韩国等经济体也纷纷制定各也发布了自己的《国家纳米科技发展纲要》。纳米科就已存在许多纳米现象，如荷叶表面的纳米结构能够吸附在玻璃这样的光滑表面上等。分，纳米材料通常可分为如图 1.1 所示的四类：零维米材料如纳米线、纳米管等；二维纳米材料如纳米条瓷、纳米高分子等。当材料的某方向上的尺寸小到纳、表面效应以及小尺寸效应等，会出现一系列宏观下不连续介质假设的理论也不再适用。本文正是基于此背开展了系统的理论研究。

示意图,发展过程,示意图,疲劳断裂理论

不同约束对含穿透直裂纹镍纳米晶体断裂行为影响研究理论作了理论分析及实验研究，在考虑面内约束的同时考虑了离面约束的影因子 TZ并提出了能够精确描述线弹性和弹塑性三维裂纹裂端应力应变场的TZ、和三参数 K-T-TZ、 J-Q-TZ等理论模型，准确描述了三维裂端前沿从平面力的三维应力状态，弥补了二维平面断裂理论的不足。基于该理论，Guo 成纹闭合的实际构件的疲劳寿命，避免了开展大量断裂试验造成的时间及经费有限元模拟方法，应用该三维疲劳断裂理论能够高效、准确地预测大部分实强度及疲劳扩展寿命。

【参考文献】