沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制研究

 用分子动力学方法计算模拟了沿〈111〉晶向冲击加载过程中，单晶铜中纳米孔洞（直径约1.3 nm）的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果表明，在沿〈111〉晶向冲击加载后，在面心立方（fcc）结构中的4族{111}晶面中有3族发生了滑移。伴随孔洞的增长，在所激活的3族{111}晶面上，观察到位错在孔洞表面附近区域成核，然后向外滑移，其中在剪切应力最大的〈112〉方向上，其位错速度超过横波声速，其它〈112〉方向的位错速度低于横波声速。模拟得到的位错阻尼系数范围与实验值基本符合。由于孔洞周围产生的滑移在空间比较对称，孔洞增长形貌接近球形。在恒定的冲击强度下，孔洞半径增长速率近似保持恒定，其速率随着冲击强度的增加而增大。     

冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究

利用分子动力学方法计算模拟了沿〈100〉晶向冲击加载下单晶铜中双孔洞的贯通过程.发现孔洞周围发射剪切型位错环是孔洞塌缩和增长的原因.在拉伸阶段,孔洞首先分别独立增长,随后其周围塑性变形区开始交叠和相互作用,最后两个孔洞开始直接贯通.这种贯通模式和实验对延性材料中孔洞贯通过程的显微观察结果一致.对四种不同θ值（θ为两个孔洞中心连线与冲击加载方向之间的夹角）的模型分别进行了计算模拟,发现在相同的冲击加载强度下,θ＝0°和θ＝30°的孔洞之间没有相互贯通; 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 贯通     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制

用分子动力学方法计算模拟了单晶铜中纳米孔洞（约φ1．3nm）在〈111〉晶向冲击加载过程中的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果的原子图像如图1所示，其中活塞速度为500m／s，图中所示为4族连续三层穿过孔洞中心的{111}晶面在4000个时间步时（处于拉伸应力状态）的原子排列图像。从面心立方铜晶体中位错成核及运动特点可知，当位错在{111}面上成核和运动后，将产生层错和部分位错结构，我们正是根据此特点来判断在某{111}晶面上是否有位错的成核和运动。从图1可以看到，沿〈111〉晶向冲击加载后，     

面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应

利用分子动力学方法模拟沿拉伸方向排布的两个空洞在单轴拉伸作用下的动力学行为.着重研究不同尺寸空洞对其拉伸贯通过程的影响.结果表明,不同尺度的空洞都是通过空洞表面发射位错环长大与贯通的.空洞在弹性阶段沿加载方向缓慢长大,在塑性阶段沿垂直方向生长后形成类八面体形状.随空洞尺寸的减小,临界屈服应力逐渐增大.当半径较大时,位错对称成核、迁移,空洞沿加载方向被拉长,演化过程相似;当半径较小时,位错不对称成核,空洞沿垂直方向被拉长.空洞生长分为弹性变形、独立长大、融合贯通和平稳生长四个阶段.独立生长阶段随尺寸的减小逐渐缩短甚至消失.     

循环载荷下纳米铜/铝薄膜孔洞形核、生长及闭合的分子动力学模拟

本文运用分子动力学模拟了在应变幅比为R=–1的循环载荷条件下,扩散焊纳米铜/铝双层薄膜内部孔洞形核、生长以及闭合的演化机理.研究发现,在循环载荷条件下,孔洞主要在铜/铝双层膜的铝侧内部形核,且有孔洞Ⅰ和孔洞Ⅱ两种演化方式.孔洞Ⅰ在铜-铝相互扩散形成双层膜时在因柯肯达尔效应所产生出的空隙缺陷位置处形核,这种形核方式下,空隙缺陷形成空位后,空位在铝侧无序结构内部向铜原子数相对密集的区域移动.当空位聚集形成孔洞时,孔洞在固定位置生长.孔洞Ⅱ在压杆位错被克服所形成的空隙缺陷位置处形核,在铝侧形核后的孔洞没有发生移动.与孔洞Ⅰ相比,孔洞Ⅱ在应变加载过程中孔洞形核时的应力大、孔洞生长速度较快且尺寸稍大,在应变卸载阶段孔洞闭合速度也较快.两种孔洞在形核、生长和闭合过程中有两方面的共同特点:1)两种孔洞都是在铝侧无序结构内部的空隙缺陷处形核. 2)两种孔洞在其生长、闭合过程中外形变化相同.在孔洞生长阶段,两种孔洞在外形上都是先沿应变加载方向拉伸长大,然后沿与应变加载相垂直的方向长大,最后趋向球形发展.在孔洞闭合阶段,两种孔洞在外形上首先沿应变加载方向压缩成椭球状,然后沿与应变加载相垂直的方向从孔洞两端向孔洞中心闭合消失.在随后的循环加载过程中,孔洞消失位置处没有再次出现新孔洞,而是在铝侧其它位置无序结构内部的空隙缺陷处形核.     

冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究

通过分子动力学模拟研究了在相同冲击加载强度下单晶铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征,结果发现氦泡和孔洞的塌缩是由发射剪切型位错环引起的,而没有观测到棱锥型位错环发射. 氦泡和孔洞周围的位错优先成核位置基本一致,但是氦泡周围发射的位错环数目比孔洞多,位错环发射速度明显比孔洞快. 且氦泡和孔洞被冲击波先扫过部分比后扫过部分发射位错困难. 通过滑移面上的分解应力分析发现,氦泡和孔洞周围塑性特征的差别是由于氦泡内压引起最大分解应力分布改变造成的. 氦泡和孔洞被冲击波先后扫过部分塑性不对称是因为冲击波扫过时引起形状变化, 关键词： 分子动力学 冲击波 氦泡 孔洞     

冲击作用下纳米孔洞动力学行为的多尺度方法模拟研究

本文利用多尺度方法研究了包含孔洞金属材料在冲击加载条件下的动力学行为. 该多尺度方法结合了分子动力学和有限元方法,分子动力学方法运用于局部缺陷区域,而有限元方法运用于整个模型区域,两种方法之间使用桥尺度函数进行连接. 计算结果既包括了系统宏观的物理信息,如应变场、应力场、温度场等,也得到了微观原子的物理信息,如原子能量和位置坐标等. 结合以上的模拟结果,发现孔洞的坍塌与材料屈服强度和冲击强度有关,而孔洞坍塌和坍塌过程中对微喷射原子的压缩过程是形成局部热点的主要原因. 同时也发现孔洞坍塌形成的位错和局部热点可以导致局部绝热剪切带更容易形成. 关键词： 微孔洞 热点 冲击加载 多尺度方法     

冲击加载下孔洞诱导相变形核分析

用分子动力学方法模拟了冲击加载(沿［001］向)下单晶Fe中孔洞诱导相变形核及生长过程，并分析了初始温度对这一生长过程的影响.数值模拟显示：1) 相变形核首先出现在孔洞周围的(110)和(110)面上,并分别沿［110］，［110］向和［110］，［110］向生长成片状，之后核的生长方向则变为沿〈111〉向，形成“V”形板条状新相颗粒；2) 在相同冲击压力下，初始温度为300 K时在新相晶核边缘出现许多核胚，生成的新相颗粒比60 K时明显减小.这些现象表明，孔洞诱导相变形核及生长过程沿着特定晶向进行，而初     

强冲击载荷下含杂质的纯铝中微孔洞长大的动力学行为

采用LS-DYNA瞬态动力学有限元程序,对平板撞击加载下含初始杂质的纯铝样品中微孔洞的成核与长大进行了数值模拟。结果表明:微孔洞首先在杂质与基体的边界处成核,随后在局部严重塑性变形驱动下快速线性增长;微孔洞半径的增长速率与冲击加载强度两者之间近似成线性关系;材料屈服强度和初始杂质的大小对微孔洞相对的增长速率有明显的影响;当微孔洞长大阈值取屈服强度的3.5倍时,数值仿真结果与理论分析结果基本一致,这有助于进一步认识孔洞长大的动力学行为。     

晶界对纳米多晶铝中冲击波阵面结构影响的分子动力学研究

用分子动力学方法研究了纳米多晶铝在冲击加载下的冲击波阵面结构及塑性变形机理.模拟研究结果表明:在弹性先驱波之后,是晶界间滑移和变形主导了前期的塑性变形机理;然后是不全位错在界面上成核和向晶粒内传播,然后在晶粒内形成堆垛层错、孪晶和全位错的过程主导了后期的塑性变形机理.冲击波阵面扫过之后留下的结构特征是堆垛层错和孪晶留在晶粒内,大部分全位错则湮灭于对面晶界.这个由两阶段塑性变形过程导致的时序性塑性波阵面结构是过去未见报道过的. 关键词： 晶界 塑性变形 冲击波阵面 分子动力学     

冲击条件下含纳米空洞的单晶铜的塌缩

利用分子动力学方法研究了单晶铜中不同大小的球形空洞在冲击波下的演化过程.模拟结果表明不同大小空洞的塌缩过程不同.模拟中冲击波由空洞左边扫向空洞右边.在较大尺寸的空洞塌缩过程中会产生系列的位错环.当空洞半径较小时,先在空洞的右侧形成位错环,当空洞半径增大到某一临界大小时,在空洞左右两侧同时产生位错环,当空洞半径较大时,先在空洞左侧形成位错环.当空洞左右两侧的位错环均形成以后,其右侧位错环前端的生长速度大于其左侧的.空洞半径增大,相应的位错环前端的生长速度变化不大.当空洞半径增大时,空洞中心指向位错源的矢量方 关键词： 纳米空洞 位错环 冲击波 塑性变形     

冲击加载下孔洞诱导相变形核分析

用分子动力学方法模拟了冲击加载(沿［001］向)下单晶Fe中孔洞诱导相变形核及生长过程,并分析了初始温度对这一生长过程的影响.数值模拟显示：1) 相变形核首先出现在孔洞周围的(110)和(110)面上,并分别沿［110］,［110］向和［110］,［110］向生长成片状,之后核的生长方向则变为沿〈111〉向,形成“V”形板条状新相颗粒;2) 在相同冲击压力下,初始温度为300 K时在新相晶核边缘出现许多核胚,生成的新相颗粒比60 K时明显减小.这些现象表明,孔洞诱导相变形核及生长过程沿着特定晶向进行,而初 关键词： 相变 孔洞 分子动力学     

层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

α—SiC晶体中的位错

用腐蚀法和X射线形貌术研究了α-SiC晶体中的位错。所用的腐蚀剂为熔融氢氧化钾。证实了尖底蚀坑与位错的一一对应关系。由于[0001]方向的螺型位错的Burgers矢量比刃型位错的Burgers矢量大得多,故可从蚀坑的深浅来判别螺型位错和刃型位错。给出了蚀坑形状和多型体晶体结构的对应关系。研究了表面生长蜷线的形态与SiC晶体中的位错及位错运动的关系。X射线形貌图显示了α-SiC晶体中相当数量的位错处于基面C面上。生长位错从晶体“根部”成核并随着晶体生长前沿的向前推进而延伸,因而位错线的方向常常沿[101O]和[1120]方向。将腐蚀法和X射线形貌术结合起来才能全面显示α-SiC晶体中的位错。 关键词：     

Investigation on dislocation-based mechanisms of void growth and coalescence in single crystal and nanotwinned nickels by molecular dynamics simulation

Abstract

Molecular dynamics simulations were conducted to elucidate dislocation mechanisms of the void growth and coalescence in single crystal and nanotwinned nickels subjected to uniaxial tension. The simulation results reveal that twin boundary is capable of decreasing the critical stress, suppressing the emission of dislocations and reducing the overall stiffness of the crystal. A size-scale dependence of critical stress is definitely illustrated through stress–strain response, where the larger void size leads to the lower critical stress and strain. It is the successive emissions of leading partials and the subsequent trailing partials that cause the atoms on the void surfaces to escape from the void surfaces continually, and consequently the voids grow to be larger and larger with increasing strain. The voids in the nanotwinned nickel coalesce earlier than those in the single crystal nickel even though the initiation of dislocations in the former is later than that in the latter. Void fraction remains a constant during elastic deformation, while it presents a linear increase with increasing strain during plastic deformation. Evolution of void fraction during void growth and coalescence is independent on void size.     

冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

An Experimental Study of the Two-Phase Flow Adjacent to a Wire in Nucleate Boiling Under an Electric Field

An experimental study of the two-phase flow near a heated wire in nucleate pool boiling is presented. A nonuniform electric field of cylindrical geometry was imposed to the heater. The two-phase flow parameters were measured using specifically developed local phase-detection optical probes. The study includes experiments varying the vertical distance from the heater (z) and measurements of the void fraction and the impact rate in a plane perpendicular to the heater (y-z). The results show that the void fraction decreases with applied voltage and with z. The dependence of the void fraction and the impact rate with heat flux is complex, with a strong decrement in the impact rate and void fraction near the critical heat flux when voltage is applied. The maximum void fraction and impact rate move from the vertical centerline (z) to a position 3 heater radii away.