在单循环载荷下纳米晶Ni晶内和晶间裂纹扩展的分子动力学模拟

发布时间：2020-06-06 22:19

【摘要】：数值模拟是疲劳裂纹扩展研究的重要手段。随着计算机技术的突飞猛进的发展,人们对于疲劳裂纹扩展的研究已经从宏观尺度转向微纳米尺度,并且随着研究的不断深入,纳米尺度下疲劳裂纹萌生和扩展的微观机理已经成为关注的热点。本文运用分子动力学方法对含晶内和晶间边裂纹的纳米晶Ni对称模型在一个周期的脉冲循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为进行了模拟和研究,并且通过比较分析了温度、应变率和裂纹开口大小对于裂纹扩展行为的影响。在加载阶段的初期,晶内和晶间裂纹模型均处于弹性阶段,裂纹逐渐张开。随后,由于受到沿{111}(27)112(29)方向滑移的肖克莱位错的引导,晶内裂纹开始沿着该位错滑移方向扩展,并且逐步钝化。晶间裂纹则沿着晶界扩展至三叉晶界处,并在三叉晶界处受到阻滞。不论是晶内裂纹模型还是晶间裂纹模型,在加载阶段位于裂纹前方并与载荷方向垂直的晶界都会萌生新的裂纹。在继续加载的过程中,新裂纹会与原裂纹相向扩展,互相接近。在卸载阶段,两种模型中的裂纹都进入锐化过程。晶内裂纹在卸载的最后阶段形成一处局部闭合,裂纹被分隔成一大一小两个部分,小的部分演变成裂纹前沿的空洞。晶间裂纹则没有实现局部完全闭合。温度升高,对裂纹钝化是有利的,因此会阻碍裂纹的扩展。降低应变率不仅可以促使晶内裂纹沿着其延长线方向扩展,还可以促使晶间裂纹转向晶内扩展。当应变率为5×10~7s~(-1)时,加载方向名义应力-应变曲线会出现明显的“台阶”,裂纹扩展速度加快。增大裂纹开口有利于晶内裂纹沿着(27)112(29)的位错滑移方向扩展,并且可能促使晶间裂纹前沿形成孪晶,进而阻碍裂纹扩展。
【图文】：

原子模型,晶内,裂纹

Ni 具有很好的可塑性、耐腐蚀、耐高温以及防锈等性能，因此被广泛用于飞机、雷达等各种军工制造业，民用机械制造业和电镀工业等领域。因此，本文选择具有面心立方（FCC）结构的 Ni 作为研究对象。利用 C 语言编写原子模型创建程序，运用修改的 Voronoi 方法[53,54]建立准三维面心立方纳米晶 Ni 模型，晶格常数a0=3.52 [23,55]。模型的尺寸为500×500×20 3，其中内部含有14 个晶粒，并且每个晶粒都是正六边形，尺寸均为 195 。以[110]方向为 X 轴，[001]方向为 Y 轴，_[110] 方向为 Z 轴[53,56,57]建立直角坐标系。在 XOY 平面内，除将 X 轴经过的晶粒取向角设为 0°以外随机生成其他晶粒的取向角，但是相邻晶粒的取向角之差的绝对值控制在 20°到 160°之间，并且关于 X 轴对称的上下两部分晶粒的取向角互为相反数。在 300K 温度下对模型进行弛豫，随后冷却至5K[58]。弛豫完成之后，在模型中部通过删除原子的手段引入长为150 ，宽度为 5 的边裂纹，如图 3-1 所示。

取向角,面心立方,弛豫,晶粒

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