α-Fe中氦泡极限压强的分子动力学模拟

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各模型中位错环开始形成时的氦泡极限压强和临界氦空位比.研究结果表明:对于无量纲半径介于2—10的氦泡,冲出位错环时的氦泡极限压强和临界氦空位比均随着氦泡初始半径的增大而非线性减小;基体中氦泡冲出位错环时的临界氦空位比具有明显的尺寸效应;初始时刻(0 ps),在经过立方体型模型中心的横截面上,氦泡周围Fe原子阵列的剪应力集中和最大剪应力出现在对角线与氦泡边界交点(即45°)处,并且关于横截面上平行于边的两条对折线对称分布,剪应力集中区的范围和最大剪应力均随着初始氦空位比的增大而增大;位错环冲出方向对应最大剪应力方向.本文的研究加深了对金属中氦泡物理特性的认识,为后续分析氦泡对材料宏观物理和力学性质的影响奠定了有益的基础.     

金属钛中氦团簇生长行为的分子动力学研究

运用分子动力学方法模拟了常温下金属钛中氦团簇的生长过程.从能量的角度考察了氦团簇的生长机理.研究发现,随着氦团簇的生长,在氦团簇周围逐渐形成位错环缺陷,氦团簇与氦原子的结合能有逐渐下降的趋势,当氦团簇生长到一定尺寸时会通过发射周围缺陷以使得结合能上升,从而增强了进一步吸收氦原子的能力.模拟还发现,随着氦团簇的继续生长,氦团簇的形状由原来的不规则结构逐渐变成了较为规则的棱柱形结构,在随后的生长过程中其生长仅在（001）平面进行,沿［001］轴的厚度几乎不变. 关键词： 氦团簇 缺陷发射 分子动力学模拟     

冲击加载下铝中孔洞长大的微观机理分析

 利用扫描电镜和透射电镜观测了冲击加载后高纯铝损伤状态孔洞的分布,发现在冲击波加载后,高纯铝中出现了大量的孔洞,孔洞大小多集中在百纳米尺度,分布不均匀,且呈现出带状形貌,局部区域的孔洞在冲击波作用下优先发展,孔洞长大,形成微米级的大孔洞。进一步的观测发现,在孔洞周围出现了大量的位错发射,发射方向位于{111}晶面上,是面心立方金属的密排面。运用分子动力学模拟进行了对比研究,验证了位错发射方向与观测结果是一致的。     

α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究

基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法,研究了α-Fe中1/2a0111{110}刃位错与3nm氦泡的相互作用导致硬化的过程,重点研究了不同温度下(300 K和623 K),氦空位比例对位错与3 nm氦泡作用机制影响的差异性.研究结果表明,当氦空位比例在0～1之间变化时,氦空位比例的变化对临界剪切应力的影响微弱,当氦空位比例在1～1.5之间变化时,氦泡内氦原子的数量的增加,临界剪切应力随之降低.氦空位比例升高至1.75时,高温623 K与室温相比,临界剪切应力反常升高,原因是高温引起的位错与氦泡的排斥机制:氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹.     

单晶Cu冲击加载及卸载下塑性行为的微观模拟

使用分子动力学方法对室温下单晶铜沿［001］和［111］方向冲击加载及卸载下的塑性行为进行了模拟,得到了Hugoniot关系以及冲击熔化压力,与实验基本符合. 加载过程中,较高的初始温度有利于位错的形核与发展. 通过对冲击波在自由表面卸载过程的模拟和分析发现：卸载过程呈现“准弹性卸载行为”;沿［001］方向卸载后大量不全位错环与堆积层错消失,而沿［111］方向卸载后只有少量层错消失,部分层错甚至会发展扩大. 关键词： 分子动力学 冲击波 塑性     

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     

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     

氦泡在bcc钨中晶界处成核长大的分子动力学模拟

钨(W)是潜在的聚变堆面向等离子体材料.聚变反应中产生的氦(He)不溶于金属W,并在其中易聚集形成He泡,使W基体发生脆化,从而导致W基体的性能发生退化.在前人工作的基础上,本文采用分子动力学研究了He泡在单晶bcc-W中以及bcc-W中∑3[211](110)和∑9[110](411)晶界处He泡形核长大初期的演化过程.结果发现,晶界处He泡的长大机制和单晶W中有所不同.单晶W中He泡通过挤出位错环促进长大.而He泡在∑3[211](110)晶界处的长大机制为:首先挤出并发射少量自间隙W原子,而后挤出1/2⟨111⟩位错线,随后,该位错线会沿晶界面上[111]方向迁移出去;在∑9[110](411)晶界处,He泡在我们的模拟时间尺度范围内没有观察到W自间隙子的发射和位错的挤出.     

冲击波在纳米金属铜中传播的分子动力学模拟

使用分子动力学方法模拟了冲击波在纳米金属铜中的传播,模拟样品由Voronoi方法得到.结果显示纳米金属铜在冲击加载下呈现多次屈服的现象,并发现冲击波具有多波结构.由于设计样品时选择了晶粒取向,晶界滑移和位错在冲击波波形上被区分开.冲击波波阵面由弹性变形区、晶界滑移主导的塑性变形区和位错主导的塑性变形区组成.样品中弹性波前沿扰动较小,而位错主导的塑性波前沿扰动较大,造成后者的主要原因是波阵面上沿冲击方向不同取向晶粒的不同屈服行为.     

有限温度下位错环的脱体现象

在FCC单晶铜中构造了滑移面为（111）,伯格矢量为b=［112］/6的圆形不完全位错环．采用分子动力学方法模拟了该位错环在0—350 K温度区间内的自收缩过程．模拟结果发现：零温度下,位错不能跨越Peierls-Nabarro势垒运动,迁移速度为0;50　K温度下,螺型和刃型位错具有基本相同的迁移速度;随温度增加,刃型位错具有较大迁移速度;温度较高时,位错核宽度进一步增加;小位错环周围的局部应力,引起4个脱体位错环;脱体位错环在原位错的应力作用下逐渐生长,原位错消失后,在自相 关键词： 单晶铜 位错环 分子动力学 位错源     

高应变率压缩下纳米孔洞对金属铝塑性变形的影响研究

本文利用分子动力学模拟方法研究了含纳米孔洞金属铝在[110]晶向高应变率单轴压缩下弹塑性变形的微观过程. 对比单孔洞和完整单晶的模型, 讨论了多孔金属的应力应变关系及其位错发展规律. 研究结果表明, 对于多孔模型的位错积累过程, 位错密度随应变的增加可大致分为两个线性阶段. 由同一个孔洞生成的位错在相互靠近过程中, 其滑移速度越来越小; 随着位错继续滑移, 源自不同孔洞的位错之间开始交叉相互作用导致应变硬化. 达到流变峰应力之后又由于位错密度增殖速率升高发生软化. 当应变增加到11.8%时, 所有孔洞几乎完全坍缩, 并观察到在此过程中有棱位错生成.     

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

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     

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.     

Effects of void shape and orientation on the elastoplastic properties of spheroidally voided single-crystal and nanotwinned copper

ABSTRACT

Void nucleation, growth and coalescence have been identified as the leading cause of ductile damage in metallic materials. To understand the underlying deformation and damage mechanisms, extensive theoretical, experimental and simulation efforts have been attempted on spherically voided metals. In this work, molecular dynamics simulations are performed to analyze the uniaxial straining deformation behaviours of both single-crystal and nanotwinned copper materials embedded with a preexisting spheroidal void. The coupling effects among twin boundary, spheroidal void aspect ratio and orientation on unidirectional elastoplastic behaviours are systematically examined. The dislocation-induced plastic deformation mechanism is also examined and compared with the one due to a perfectly spherical cavity. Simulation results show that elastic modulus increases with both spheroidal void aspect ratio and orientation. So do the yield stress, the first peak stress and the plasticity index. Another peak stress exists for most cases, except for a prolate void embedded in nanotwinned specimens. The slope between peak stresses decreases with both the spheroidal aspect ratio and orientation. The incorporation of a twin boundary results in lower elastic modulus, higher yield strength and smaller plasticity index. For an oblate void, the twin boundary gives rise to more severe strain softening behaviour. The dislocation extraction algorithm illustrates that the continuous nucleation, propagation and reaction of dislocations emanated from both the void front and twin boundary are responsible for the ductile damage of spheroidally voided crystals. The lower dislocation densities found in nanotwinned specimens indicate the desired suppression effects of twin boundary on dislocation activities.