基于分子动力学方法的含缺陷金属材料变形与失效的数值模拟分析研究

发布时间：2020-04-04 20:29

【摘要】：金属材料变形失效主要是内部缺陷的产生和扩展引起的。微观下,缺陷的产生和扩展在纳米尺度范围内进行,通过宏观实验和有限元相结合的方法不能分析其变形失效微观机理,采用分子动力学研究金属材料变形与失效是目前的主流方法。本文基于分子动力学方法利用分子动力学软件LAMMPS研究含缺陷单晶镍、单晶α-Ti、单晶镍钛合金在拉伸载荷作用下材料的变形和失效过程。首先,研究了含孔洞单晶镍变形失效过程及多种因素对其力学性能的影响。在整个单轴拉伸过程中,可以分为弹性变形、塑性变形两个阶段,与宏观拉伸类似,弹性阶段的应力应变关系符合胡克定律。单晶镍在[100]方向单轴拉伸下,失效的主要原因是:位错原子在孔洞表面形核,随之在滑移面{111}沿着滑移方向110形成位错剪切环,并不断相互交错生长,滑移面上的原子出现fcc结构转变为hcp结构。温度、应变率、孔洞半径对单晶镍的屈服强度和弹性模量都有影响:温度升高,屈服强度和弹性模量均降低。拉伸应变率增大,屈服强度增大,弹性模量不受影响。孔洞半径的增大导致屈服强度、弹性模量都减小。其次,对含裂纹单晶α-Ti沿[0001]方向单轴拉伸过程进行了研究,分别讨论了温度、应变率对裂纹扩展的影响。在整个单轴拉伸过程中,可以分为弹性变形、塑性变形两个阶段,与宏观拉伸类似,弹性阶段的应力应变关系符合胡克定律。破坏机制如下:裂纹首先产生钝化现象,然后尖端位错形核-位错发射-原子滑移-孪生现象-少量相变,最终材料断裂,在此过程中,位错发射,孪生现象扮演了主要角色;温度和应变率的升高都会导致屈服强度降低。最后,在循环应力加载条件下,研究了单晶镍钛形状记忆合金的超弹性行为,并且针对不同镍钛原子比例对超弹性行为的影响进行了分析。单晶镍钛合金具有超弹性行为,是由于在加载过程中发生奥氏体B2→马氏体B19’相变,出现了奥氏体弹性变形、马氏体相变、马氏体弹性变形三个阶段;卸载过程出现了马氏体弹性变形、马氏体逆相变、奥氏体弹性变形三个阶段。在一定范围内,不同镍钛原子比例,单晶镍钛合金都具有超弹性,随着钛原子的增加,发生相变的临界应力增加,发生逆相变的临界应力减小。
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115

【参考文献】

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本文编号：2614041