α-Fe纯I型裂纹扩展中位错形成过程的三维分子动力学模拟

通过分子动力学方法模拟了三维 α-Fe I型裂纹的单向拉伸实验中的裂纹扩展过程。研究了在不同温度下裂纹扩展时位错的形成过程和断裂机理。计算结果表明,裂纹扩展过程是位错不断发射的过程。 裂纹尖端附近先形成无位错区和层错,当裂纹处应力增加到KI=0.566 MPam1/2时,裂纹尖端附近的某一层原子会逐渐分叉形成两层原子,分层后的原子层继续分离形成位错;当应力KI 达到0.669MPam1/2时第一个位错发射。随着温度的升高,临界应力强度因子逐渐降低,同时位错发射也相应地加快。     

α-Fe纯I型裂纹扩展中位错形成过程的三维分子动力学模拟

通过分子动力学方法模拟了三维 α-Fe I型裂纹的单向拉伸实验中的裂纹扩展过程。研究了在不同温度下裂纹扩展时位错的形成过程和断裂机理。计算结果表明,裂纹扩展过程是位错不断发射的过程。 裂纹尖端附近先形成无位错区和层错,当裂纹处应力增加到KI=0.566 MPam1/2时,裂纹尖端附近的某一层原子会逐渐分叉形成两层原子,分层后的原子层继续分离形成位错;当应力KI 达到0.669MPam1/2时第一个位错发射。随着温度的升高,临界应力强度因子逐渐降低,同时位错发射也相应地加快。     

体心立方金属钽Ⅱ型裂纹尖端缺陷萌生的多尺度分析

本文采用多尺度准连续介质法(quasi-continuum method, QC)模拟体心立方(body-centered-cubic, bcc)金属钽(Ta)Ⅱ型裂纹尖端位错的形核与发射过程,获得位错发射位置与应力强度因子关系曲线,分析裂纹尖端缺陷萌生过程,研究全位错分解以及扩展位错形成机理. 位错活动在不同阶段表现出不一致的特征,新位错的发射对于位错运动具有促进作用. 研究表明,裂纹扩展初始阶段首先萌生点缺陷,点缺陷随着加载强度增加会萌生新的点缺陷,点缺陷最终运动到边界,导致Ⅱ型断裂破坏. 在全位错发射之前有不全位错的形核与发射表明全位错的分解分步进行,从势能曲线上来看,也就是两个极小值点的形成机理不同. 关键词： 多尺度 准连续介质法 Ⅱ型裂纹 扩展位错     

基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.     

钢铁材料中形变诱导相变超细化机理研究

通过计算机编程建立奥氏体相中12[1 1 0]刃位错、奥氏体相中非形变区和形变区奥氏体/铁 素体相界模型.用实空间的连分数方法计算了非形变区和形变区奥氏体/铁素体相界界面能， 计算了碳、氮及微合金元素在完整晶体及位错区引起的环境敏感镶嵌能，进而讨论形变过程 中铁素体形核的难易程度，碳、氮及合金元素在位错区的偏聚及析出与铁素体细化的关系. 计算结果表明：α-Fe易于在高密度位错区（形变带、亚晶界、晶界）形核，在奥氏体形变 过程中，就会大大提高α-Fe形核率，细化铁素体晶粒；碳、氮和微合金元素易于单独或共 同 关键词： 奥氏体/铁素体相界 刃位错 形变 晶粒细化     

非线性滞弹性—一门新的学科领域

固体的力学性质包括弹性、范性和断裂，由于实际应用上的重要性，关于断裂的研究已经受到相当重视，但是范性形变是断裂过程的前奏，因此在解决固体材料破坏问题的整个环节中，必须研究范性形变的机制。另一方面，弹性形态是范性形变的先导，而目前作为阐明范性形变要制的基础的位错理论还不能与研究弹性形变的弹性理论衔接起来，所以需要重视从弹性到范性的过渡的研究。该文介绍的非线性滞弹性是关于这方面的一种初步尝试。     

钽、铁、钨三种体心立方金属裂纹的多尺度模拟及韧脆性分析

采用多尺度准连续介质法计算模拟了钽、铁、钨三种体心立方(body-centered-cubic,BCC)金属的I型裂纹断裂过程.观察了加载过程中裂纹尖端区域原子的位错、孪晶等塑性变形现象,以及裂纹的脆性开裂和扩展现象.模拟结果表明,不同BCC金属材料的裂纹在相同的加载下有不同韧脆性表现.在一定变形范围内,钽裂纹主要表现出的是裂纹尖端附近区域原子的位错和形变孪晶等塑性变形现象;铁裂纹在变形过程中先后表现出了塑性变形和脆性扩展现象,与实验结果吻合;钨裂纹在变形过程中则主要变现出脆性扩展现象.计算了三种金属材料的广义层错能曲线,得到其不稳定层错能;并分别用两种不同的韧脆性准则,对三种材料断裂模型的韧脆性行为进行分析,计算分析结果与模拟结果一致,从而验证了模拟结果的正确性.     

α-铁中位移级联过程中缺陷的生成和He-空位复合物的形成

运用分子动力学方法研究了不同He浓度和不同级联能下含He的α-Fe低温时的位移级联过程.模拟的主要撞击原子(PKA)的能量(E_P)(即级联能)从500eV变化到5keV，辐照温 度为100K，He的浓度从1%变化到5%.比较了不同He浓度下的Fe-He混合物和纯α-Fe的位移级 联过程，发现在含有He的α-Fe中总的Fe和He的Frenkel对与纯的α-Fe的Frenkel对的数目相 当.当He的浓度较低时，含有He的α-Fe中的Frenkel对比α-Fe的要低，随He的浓度增加，有 He的α-Fe中的Frenkel对比α-Fe中的高，这主要与He在金属中的性质有关.本研究证明了位 移级联过程可以直接导致He泡的成核.对不同级联能和不同He浓度下Fe的位移级联过程的模 拟，发现在同样的级联能下，随着He浓度的增加，He成团的几率增大；在同样的He浓度下, 随着级联能的增加,He成团的几率也同样增加，并分析了级联下He泡的形成机制. 关键词： Fe 位移级联 He-空位复合物 分子动力学     

钢中脆硬粒子裂纹形成机理

钢中的脆硬粒子对钢的解理脆断有直接的影响，解理断裂源大都发生在脆硬粒子上.根据微裂纹形成的热力学模型，利用钢中脆硬粒子开裂时所释放的弹性应变能、位错塞积弹性能，所产生的表面能，对脆硬粒子裂纹形成机理进行分析.模型计算表明，正应力和位错塞积力都是脆硬粒子开裂的必要条件，这与实验事实相符；同时给出脆硬粒子开裂的临界条件计算方法，计算发现，脆硬粒子临界开裂应力不仅取决于脆硬粒子尺寸及表面能，而且与晶粒直径有一定的相关关系，当晶粒直径较小时，这种关系与实验测定的材料解理断裂应力与晶粒尺寸的关系一致，说明整体失稳解 关键词： 解理断裂 裂纹形核 脆硬粒子     

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     

基于多尺度模拟研究Ni/Cu薄膜压痕塑性的原子机制

基于准连续介质多尺度模拟方法研究了Ni/Cu双层薄膜初始压痕塑性的原子机制,结果主要包括:(1)当Ni晶体层厚度小于10nm时,随着Ni晶体层厚度的减少,薄膜弹性极限所对应的临界接触力逐渐降低,即Ni/Cu薄膜随Ni晶体层厚度减小而变软;(2)压头下方晶格Shockley分位错的开动、界面位错的分解、以及界面位错与晶格位错的相互作用是Ni/Cu薄膜初始塑性的微观原子机制,(3)根据模拟结果观察和位错弹性理论计算,承载初始塑性的界面位错数目变少是Ni/Cu薄膜软化的主要原子机制.本文研究结果能够为异质界面力学行为研究提供有益参考.     

用x射线形貌研究半绝缘砷化镓单晶胞状结构

通过x射线异常透射形貌（XRT），化学腐蚀显微观察和电子显微技术（TEM）研究了液封直拉（LEC）法生长的半绝缘砷化镓（SI-GaAs）单晶中蜂窝状胞状结构，从晶体生长和冷却过程的热应力、弹性形变引起位错的运动和反应考虑，分析了该结构的形成机理与过程.认为这是由高密度位错（EPD）运动和反应所形成的小角度晶界的集合群. 关键词： SI-GaAs 小角度晶界 胞状结构     

纳米粒子与单晶硅表面碰撞的反弹机理研究

应用分子动力学方法模拟了纳米粒子与单晶硅(001)表面碰撞、反弹飞离的现象，分析了粒子的反弹行为、基体弹性形变和塑性形变的原子构型特征，以及碰撞过程的能量转化.碰撞后单晶硅表面形成半球形的小坑，小坑周围的基体原子呈非晶态.碰撞过程中与颗粒相邻的基体原子立即非晶化，在非晶层外面基体以可恢复的(111)［110］滑移结构存储弹性形变能.在射入过程，基体发生压缩弹性形变；颗粒反弹时基体势能振荡下降,交替形成压缩形变构型和拉伸形变构型.射入过程中存贮的压缩弹性形变能的释放为颗粒提供了反弹、飞离的能量. 关键词： 碰撞 纳米粒子 单晶硅表面 分子动力学模拟     

稀土La在α-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了α-Fe的Σ3[110](112)对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在α-Fe中的占位倾向.结果表明,La在α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定.     

球形压头与单晶铝材料纳米接触过程的多尺度分析

采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数, 建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型, 得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图. 研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以及压 头形状对位错的形核和发射产生的影响. 从微观角度分析了接触变形机理. 结果表明, 随着接触深度的增加, 球形压头下部两侧的原子受力方向不断变化, 使得载荷-位移响应曲线出现不同于方形压头的阶梯状. 由于压头形状的影响, 压头两侧的密排原子面实现部分滑移形成了肖克利不完全位错. 脱离过程中, 原子紧贴压头向上移动, 实现部分弹性恢复, 残余位移为0.3 nm, 非常接近单晶铝单位位错的伯格斯矢量的 模0.285 nm. 关键词： 准连续介质法 球形压头 单晶铝材料 位错     

α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为,建立了两相的H原子扩散系数与温度的关系式,对比了H原子在两相中扩散的难易程度,并结合2205双相不锈钢的氢致开裂试验对计算结果进行了实验验证.研究结果表明:H原子在α-Fe中所需扩散激活能较γ-Fe低,其容易在α-Fe的缺陷处聚集,并最终造成氢致开裂等严重后果;而2205双相不锈钢的HIC实验表明,裂纹在铁素体相中表现为穿晶型开裂,并且在传播过程中由于受到奥氏体相的阻碍,裂纹沿两相界面发展,表现出混合型开裂方式;综上所述,铁素体相更容易产生氢致裂纹,这进一步证实了本文计算结果的可靠性.     

体心立方Fe中<100>位错环对微裂纹扩展影响的分子动力学研究

在辐照环境下,载能粒子与材料相互作用导致材料中原子移位,造成辐照损伤.其中,由辐照形成的过饱和自间隙原子团簇形成的间隙型位错环,是体心立方Fe为基的材料中常见的辐照缺陷之一,其与材料中其他缺陷之间相互作用,是导致辐照硬化、脆化、肿胀及蠕变等辐照损伤的原因之一.除此相互作用外,在材料表面或内部沿晶界、沉积相、惰性气体形成的气泡所导致的微裂纹,是诱发辐照促进应力腐蚀开裂的重要原因.因此,理解辐照条件下间隙型位错环与微裂纹之间的相互作用,是理解辐照促进应力腐蚀开裂微观机制的重要一步.在本研究中,利用分子动力学方法,模拟了原子尺度微裂纹与间隙型位错环之间的相互作用,研究了位错环与微裂纹之间的距离、相对位置及位错环尺寸对二者相互作用的影响,揭示了位错环对微裂纹是否沿滑移面扩展的影响,发现当二者的相互作用起主导作用时(如在临界水平或垂直距离之内),形成的以100为主或高密度的1/2111位错网络可以抑制微裂纹沿滑移面的扩展.当位错环尺寸发生变化时,只有当位错环位错核与微裂纹尖端相互作用时,才能抑制微裂纹沿滑移面的扩展.这些结果为进一步理解辐照应力开裂提供了新的参考.     

Au/Cu(001)异质外延岛演化的分子动力学研究

利用分子动力学弛豫方法模拟了Au/Cu(001)异质外延生长初期Au异质外延岛的形貌演化，分析了Au外延岛演化过程中的局域应力及与基体结合能随表面岛尺寸的变化. 研究结果表明：当异质外延岛小于7×7时，外延岛原子分布呈现赝Cu点阵形貌；当外延岛达到8×8后，外延岛内开始出现失配位错，失配位错数量随外延岛尺寸的增加而增加. 局域压力分析指出，外延岛上原子之间的近邻环境不同导致了所受应力的差异，而外延岛的形变则是由外延岛原子的应力分布所决定. 研究还发现，失配位错的产生导致错位原子与基体原子之间的结合强度减弱，但相对增加了非错位原子与基体原子之间的结合强度. 关键词： 异质外延 表面形貌 局域压力 分子动力学模拟     

弹性连续介质中氢致裂纹传播理论

弹性连续介质中的氢原子,在裂纹应力场的诱导下发生聚集,形成氢气团,本文计算了气团分布区平均氢浓度,并将该区看作沿裂纹尖端分布的弹性夹杂,确定了夹杂的本征应变,研究了夹杂的应力场P_ij对裂纹位错密度的影响,求得了裂纹尖端总的应力强度因子,认为氢脆机理是氢气团增大了裂纹尖端应力强度因子,最后还讨论了氢致开裂的物理过程及氢致裂纹扩展速率,所得结果与实验符合很好。 关键词：     

声发射特性与材料断裂韧性相关性研究

以高强度铝合金的断裂过程为研究对象，利用先进的声发射试验系统，考察了拉伸试样和带有预制疲劳裂纹的DCB试样在断裂时的声发射事件特性，揭示了材料断裂韧性和声发射特性 间的关系.试验结果表明，材料稳态裂纹扩展起始于K_1C并发射出许多幅值超过 阈值35 dB的信号，材料裂纹失稳扩展时爆发出强烈的声发射信号，材料断裂的累积声发射能与宏 观断裂能呈线性关系. 关键词： 声发射 断裂韧性 铝合金