非晶合金纳米切削机理的分子动力学仿真研究

发布时间：2017-08-12 04:34

  本文关键词：非晶合金纳米切削机理的分子动力学仿真研究

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【摘要】：非晶合金由于其独特的微观组织结构,长程无序、短程有序,表现出优异的力学性能,有着广泛的应用前景。而材料的应用必然离不开其加工方法的研究,切削是一种重要的、高效、高精度的成型加工方法,研究非晶合金的切削加工具有重要意义。目前,关于非晶合金切削的研究还较少,受现有实验条件在时间、空间尺度上的制约,其切削机理及其变形的清晰物理图像仍未知。分子动力学是一种能在微观层面下研究原子运动轨迹的方法,使得在微观上探究非晶合金的切削过程可行。研究了非晶合金Cu50Zr50切削过程中的剪切变形、切削力及工件温度变化。在剪切变形的分析中,发现了非晶合金切削的两个过程,开始切削时的材料变形积聚-释放阶段,以及后续的稳定切削阶段。切削力的曲线很明显的观察到了这两个过程。对切削过程中的工件温度进行了计算,最高可达800 K,略高于其玻璃转变温度,并进一步分析了工件结构的变化。对非晶合金Cu50Zr50切削过程中的势能和体积、原子轨迹及变形单元-剪切转变区演变进行了研究。分析了切削过程中切削层和工件层区域势能、体积的变化,证实了非晶合金的屈服过程就是一种玻璃转变的过程。结合瞬时位型图,分析了切削中原子的运动轨迹。二维模拟了非晶Cu50Zr50的切削过程,观察到了剪切转变区在切削中的演变过程,其首先在应力作用下驱动变形,而后变形以流变的形式发生。对单组元非晶Cu进行了切削模拟,观察到了晶化现象。采用共近邻分析技术(CNA)分析了切削中的晶化过程,晶粒首先在应力较大的刀具刀尖及前刀面处形核,而后快速长大到彼此接触时停止。接着合并首先在局部发生,并沿晶界不断扩展,通过将晶界处的多余自由体积排出来完成合并过程。同时还利用相对位移矢量标记法分析了合并的动力学过程。研究了切削过程中的势能、体积,发现其值在升高过程中会发生由于晶化所致的突然减小的现象,表明晶化的发生是需要一定的驱动能。对切削过程进行了剪应变分析,观察到了切屑中周期性剪切带的形成,切屑自由表面为锯齿形。最后结合原子结构图,证实了其切削变形是在非晶态下进行。
【关键词】：非晶合金 纳米切削 分子动力学
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.8;TG506
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 非晶合金及其发展概述10-12
• 1.2 非晶合金的力学性能12-14
• 1.3 非晶合金的宏观形变行为14-15
• 1.3.1 室温下的非均匀形变14
• 1.3.2 高温下的均匀形变14-15
• 1.4 非晶合金切削加工的国内外研究现状15-18
• 1.5 材料切削的计算机模拟方法18
• 1.6 本文的研究目的及内容18-20
• 第2章 分子动力学模拟方法20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 分子动力学模拟简介20-26
• 2.2.1 分子动力学发展及原理20-22
• 2.2.2 牛顿运动方程的数值求解算法22-24
• 2.2.3 分子动力学模拟的系综24
• 2.2.4 模拟中的势函数24-25
• 2.2.5 周期性边界条件25-26
• 2.3 分子动力学热力学性能及结构分析26-27
• 2.3.1 热力学信息26
• 2.3.2 径向分布函数26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 非晶合金Cu50Zr50纳米切削建模及仿真分析28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 纳米切削建模及仿真28-32
• 3.2.1 原子间作用力29
• 3.2.2 工件的制备29-31
• 3.2.3 切削模型建立31-32
• 3.3 切削过程分析32-36
• 3.3.1 切削中的剪切变形32-33
• 3.3.2 切削力的变化33-35
• 3.3.3 工件层温升对材料结构的影响35-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 非晶合金Cu50Zr50纳米切削中势能与体积及剪切转变区的研究38-56
• 4.1 引言38
• 4.2 非晶合金纳米切削中势能与体积38-50
• 4.2.1 仿真设置39-40
• 4.2.2 反映原子状态变化的区域势能与体积40-46
• 4.2.3 原子流动过程中的原子轨迹分析46-50
• 4.3 非晶合金切削中剪切转变区的研究50-54
• 4.3.1 仿真设置50-51
• 4.3.2 变形单元剪切转变区的演变51-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第5章 单组元非晶Cu金属切削建模及仿真分析56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 单组元非晶铜金属切削模型及仿真56-58
• 5.3 切削过程分析58-65
• 5.3.1 非晶铜的纳米切削晶化过程58-59
• 5.3.2 晶粒的长大与合并机理59-61
• 5.3.3 晶化中势能与体积的变化61-63
• 5.3.4 切削区剪切形变分析63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果74-75
• 致谢75-76
• 作者简介76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 卢柯,王景唐;预退火热处理对非晶态Ni-P合金晶化动力学的影响[J];金属学报;1990年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张卫国;Vit1块体金属玻璃的切削性能研究[D];燕山大学;2012年

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本文编号：659813