CrMnFeCoNi纳米晶温度相关的拉伸行为研究

摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象，利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下，塑性变形阶段，滑移系开动的较少，位错滑移所受的阻力越大，屈服强度和抗拉强度越大；模型破坏时，孔洞缺陷形核较慢，更多孔洞缺陷演化成断口，更多的断口分摊拉伸应变，使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。     

CrMnFeCoNi高熵合金纳米晶温度相关的拉伸行为研究

高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金.实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性.论文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6.18 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟.模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理.微结构演化分析表明:随着温度的降低,塑性变形阶段滑移系开动的越少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;温度越低,模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的孔洞和断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好.     

高熵合金药型罩射流成型与稳定性

近年迅速兴起的多主元高熵合金因其具有很宽的成分-性能调控范围及一系列优异力学性能, 有望替代紫铜成为新一代药型罩材料. 本文基于CrMnFeCoNi五元高熵合金动态力学性能实验和数值模拟, 探索该合金用作药型罩的适用性. 基于分离式霍普金森拉杆和材料试验机研究了高熵合金不同应变率及温度下的力学行为, 获得了高熵合金Johnson-Cook热黏塑性动态本构. 利用流动速度与临界压垮角关系对凝聚性高熵合金射流形成边界进行界定. 结合数值模拟验证了高熵合金射流形成边界的合理性, 并进一步揭示了射流高速拉伸断裂演化规律. 研究表明: 射流断裂时间与材料强度成负相关, 材料动态强度增大, 将会引起射流断裂时间下降. 本工作可为新型高熵合金药型罩结构设计提供参考.      

轴向拉伸下氮化钛纳米杆变形机制及力学性能的分子动力学研究

本文使用分子动力学软件包lammps并采用第二近邻改进型嵌入原子法(2NN MEAM)模拟了单晶氮化钛纳米杆的轴向拉伸破坏过程,分析了分别沿[100]、[111]晶向的不同截面尺寸、不同拉伸应变率、不同温度下的氮化钛纳米杆的力学性能,详细描述了氮化钛纳米杆拉伸变形过程。研究发现, 拉伸晶向、截面尺寸、拉伸应变率及温度均会对TiN纳米杆的拉伸变形过程及屈服强度、弹性模量等力学性能产生不同程度的影响。 沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服强度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服强度越大。应变率越大,屈服强度及屈服应变越大,但对于弹性模量几乎无影响。温度越高,材料的屈服强度、屈服应变及弹性模量越小,断裂应变越大。不同拉伸条件下的氮化钛纳米杆的拉伸过程均包括弹性变形、塑性变形与断裂阶段。[100]晶向的弹性模量都要高于[111]晶向。     

考虑晶体取向的Al0.3CoCrFeNi高熵合金动态力学性能研究

鉴于高熵合金材料(high-entropyalloy,HEA)在高应变率动态响应下呈现不同的破坏模式及力学性能,其潜在机理从宏观角度已不能够完全解释,需从微观角度研究其动态响应过程中的原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制,为优化HEA防护材料的加工工艺、制备方法等提供参考。利用分子动力学模拟的方法,设计了[100]、[110]和[111]等3种取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金在不同应变率下的压缩、拉伸及冲击试验,分析了动态响应过程中原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制。压缩试验中：[110]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[111]的次之,[100]的最低;[100]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金主要的变形机制为孪晶变形,[110]的为滑移变形,[111]的为位错变形。拉伸试验中：[111]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[100]的次之,[110]的最低;[100]取向结构Al_0.3     

表面形貌对单晶CoCrFeMnNi高熵合金刮擦行为影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟来研究纳米刮擦载荷作用下单晶CoCrFeMnNi高熵合金的刮擦变形行为和晶体结构演变，讨论了平面、矩形和三角形表面形貌以及不同刮头半径对单晶CoCrFeMnNi高熵合金表面刮擦响应的影响.结果表明：单晶CoCrFeMnNi高熵合金在刮擦过程中的主要塑性变形机理是Shockley不全位错的滑移变形.对于平面、矩形和三角形表面形貌的CoCrFeMnNi高熵合金，平面类型形貌试样具有最大的摩擦系数.在1.2 nm的刮擦深度下，表面的非平面形貌通过位错湮灭的方式降低刮擦区域的塑性变形，减小刮擦区域的摩擦系数从而产生减摩效应.     

单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究

低熔点金属的层裂是目前延性金属动态断裂的基础科学问题之一。采用非平衡态分子动力学方法模拟了冲击压力在13.5～61.0 GPa下单晶和纳米多晶锡的经典层裂和微层裂过程。研究结果表明：在加载阶段，冲击速度不影响单晶模型中的波形演化规律，但影响纳米多晶模型中的波形演化规律，其中经典层裂中晶界滑移是影响应力波前沿宽度的重要因素；在单晶模型中，经典层裂和微层裂中孔洞成核位置位于高势能处；在纳米多晶模型中，经典层裂中的孔洞多在晶界（含三晶界交界处）处成核，并沿晶定向长大，产生沿晶断裂，而微层裂中孔洞在晶界和晶粒内部成核，导致沿晶断裂、晶内断裂和穿晶断裂；孔洞体积分数呈现指数增长，相同冲击速度下单晶和纳米多晶Sn孔洞体积分数变化规律一致；经典层裂中孔洞体积分数曲线的两个转折点分别表示孔洞成核与长大的过渡和材料从损伤到断裂的灾变性转变。     

高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

在分离式霍普金森拉杆、三点弯曲和平板撞击加载下对棒材铝合金（2024-T4、7075-T6）进行动态拉伸断裂实验研究。实验结果表明：1）一维应力动态加载下 7075-T6铝合金的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024-T4铝合金,但三点弯曲和平板撞击层裂实验中发现2024-T4铝合金相比于7075-T6铝合金具有更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力,这表明应力状态对两种铝合金拉伸断裂行为有明显的影响; 2）断口的光学与扫描电镜分析发现：2024-T4铝合金主要表现出脆性断裂行为,起因于孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相形成穿晶断裂;而7075-T6铝合金则展现出韧性和脆性混合断裂特征,原因是部分孔洞或裂纹在晶界成核增长发生沿晶断裂,部分在晶内强化相周围形成孔洞从而造成穿晶断裂。, 在分离式霍普金森拉杆、三点弯曲和平板撞击加载下对棒材铝合金（2024-T4、7075-T6）进行动态拉伸断裂实验研究。实验结果表明：1）一维应力动态加载下 7075-T6铝合金的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024-T4铝合金,但三点弯曲和平板撞击层裂实验中发现2024-T4铝合金相比于7075-T6铝合金具有更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力,这表明应力状态对两种铝合金拉伸断裂行为有明显的影响; 2）断口的光学与扫描电镜分析发现：2024-T4铝合金主要表现出脆性断裂行为,起因于孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相形成穿晶断裂;而7075-T6铝合金则展现出韧性和脆性混合断裂特征,原因是部分孔洞或裂纹在晶界成核增长发生沿晶断裂,部分在晶内强化相周围形成孔洞从而造成穿晶断裂。     

应力诱发界面迁移下晶内孔洞的演化

随着微电子技术的迅猛发展,集成电路中内连导线的失效问题引起广泛关注.内连导线内部孔洞萌生、长大、漂移和失稳变形成狭长裂纹,从而导致电路的开路失效.这是内连导线失效的常见形式.而界面迁移是导致微结构形态演化的主要机制之一.本文基于界面迁移下微结构演化的经典理论和弱解描述,建立了应力诱发界面迁移下微结构演化的有限单元法,并验证了算法的可靠性.对铜内连导线中晶内孔洞的演化进行了数值模拟,详细分析了应力、线宽及形态比对晶内孔洞演化的影响.研究结果表明,椭圆形晶内孔洞存在生长和收缩两种演化分叉趋势.通过大量数值分析得到了晶内孔洞演化的临界应力?σ_c、临界线宽?h_c和临界形态比β_c.当?σ≥?σ_c,?h≤?h_c或β≥β_c时,晶内孔洞会沿长轴长大;反之,晶内孔洞会收缩甚至愈合.此外,应力?σ越大、线宽?h越小或形态比β越大,晶内孔洞越易发生长大,且孔洞面积增大速度越快;?σ越小、?h越大或β越小,晶内孔洞越易发生收缩,且孔洞面积减小速度越快.     

不同晶向金属纳米线拉伸力学性能分子动力学研究

在经典等温分子动力学框架下,采用位移加载方式,准静态条件下数值模拟常温条件下金属纳米线的单向拉伸,研究了面心立方晶格（FCC）单晶金属纳米线的弹塑性力学性能。研究发现 <100>,<110>,<111>三个不同晶向纳米线拉伸时呈现不同的拉伸变形力学性能。其中<111>晶向拉伸有最高的屈服强度,<110>晶向屈服屈服最小,特别的是<100>晶向拉伸时屈服应变最大。由于不同的晶向对应纳米线的不同表面,三个晶向的纳米线拉伸呈现不同的应力应变关系曲线,变形过程中的局部结构具有不同的演化方式。分析了纳米单晶铜线的三个晶向拉伸表现不同的等效弹性刚度和屈服强度,讨论了相关的局部位错结构演化过程和与位错发射分解剪应力相关的纳米线塑性变形机理。     

解三维摩擦接触问题的一个二阶锥线性互补法

针对三维摩擦接触问题的求解,给出了一种基于参变量变分原理的二阶锥线性互补法. 首先,基于三维Coulomb摩擦锥在数学表述上属于二阶锥的事实,利用二阶锥规划对偶理论,建立了三维Coulomb摩擦接触条件的参变量二阶锥线性互补模型,它是二维Coulomb摩擦接触条件参变量线性互补模型在三维情形下的自然推广;随后,利用参变量变分原理与有限元方法,建立了求解三维摩擦接触问题的二阶锥线性互补法. 较之于将三维Coulomb摩擦锥进行显式线性化的线性互补法,该方法无需对三维Coulomb摩擦锥进行线性化,因而在保证精度的前提下所解问题的规模要小很多. 最后通过算例展示了该方法的特点.      

解Drucker-Prager塑性问题的二阶锥互补法

基于经典弹塑性理论中多数屈服准则具有凸锥数学结构的事实,将在大规模计算中更具潜力的锥规划法引入弹塑性分析。考虑到弹塑性流动理论有关联与非关联之分,本文提出利用锥型互补法求解弹塑性问题。具体以Drucker-Prager弹塑性模型为例,首先利用最大塑性功耗散原理和圆锥对偶理论等工具,建立了弹塑性本构方程的等价二阶锥互补模型;然后,基于参变量变分原理和有限元技术,建立了弹塑性增量分析的二阶锥线性互补模型;最后,利用一类半光滑Newton算法求解。数值算例表明了本文方法的有效性。     

正交各向异性弹塑性摩擦接触问题的数值求解

采用正交各向异性摩擦定律对三维弹塑性摩擦接触问题进行分析,基于参变量变分原理,经过有限元离散,将问题化为线性互补问题模型,之后给出一个求解互补问题的非内点光滑化算法．对三维接触问题,滑动方向的确定一直是个难点,为此,该文采用作者提出的组合规划法和迭代法对各向异性摩擦本构模型进行分析,数值结果说明了模型与算法的正确性。     

NON-INTERIOR SMOOTHING ALGORITHM FOR FRICTIONAL CONTACT PROBLEMS

A new algorithm for solving the three-dimensional elastic contact problem with friction is presented. The algorithm is a non-interior smoothing algorithm based on an NCP-function. The parametric variational principle and parametric quadratic programming method were applied to the analysis of three-dimensional frictional contact problem. The solution of the contact problem was finally reduced to a linear complementarity problem, which was reformulated as a system of nonsmooth equations via an NCP-function. A smoothing approximation to the nonsmooth equations was given by the aggregate function. A Newton method was used to solve the resulting smoothing nonlinear equations. The algorithm presented is easy to understand and implement. The reliability and efficiency of this algorithm are demonstrated both by the numerical experiments of LCP in mathematical way and the examples of contact problems in mechanics.     

Dynamic analysis of two-dimensional frictional contact by linear complementarity problem formulation

Two-dimensional dynamic contact is formulated as a linear complementarity problem using contact compatibility conditions and the Coulomb friction law. For the time integration of dynamic response, displacements are approximated as second-order polynomials and a new scheme of considering velocity discontinuities is presented. The efficiency of the method is shown with three numerical examples.     

Parametric variational solution of linear-quadratic optimal control problems with control inequality constraints

A parametric variational principle and the corresponding numerical algo- rithm are proposed to solve a linear-quadratic （LQ） optimal control problem with control inequality constraints. Based on the parametric variational principle, this control prob- lem is transformed into a set of Hamiltonian canonical equations coupled with the linear complementarity equations, which are solved by a linear complementarity solver in the discrete-time domain. The costate variable information is also evaluated by the proposed method. The parametric variational algorithm proposed in this paper is suitable for both time-invariant and time-varying systems. Two numerical examples are used to test the validity of the proposed method. The proposed algorithm is used to astrodynamics to solve a practical optimal control problem for rendezvousing spacecrafts with a finite low thrust. The numerical simulations show that the parametric variational algorithm is ef- fective for LQ optimal control problems with control inequality constraints.     

摩擦约束塑性力学变分不等原理的半反推法

带摩擦约束的弹塑性接触问题,由于摩擦约束条件是一种判别性的条件,它的变分问题的逆问题的研究比较困难。本文对弹塑性接触力学中的变分不等问题的逆问题进行了研究,改进了半反推法并将其应用到弹塑性变分不等原理的研究中,导出了摩擦约束弹塑性增量广义变分不等原理中的能量泛函,消除了用拉氏乘子法可能产生的临界变分现象,在证明中,巧妙地处理了增量表示的接触摩擦边界条件,避免了使用非线性泛函分析和凸分析,简化了证明。     

Formulating Dynamic Multi-Rigid-Body Contact Problems with Friction as Solvable Linear Complementarity Problems

A linear complementarity formulation for dynamic multi-rigid-body contact problems with Coulomb friction is presented. The formulation, based on explicit Euler integration and polygonal approximation of the friction cone, is guaranteed to have a solution for any number of contacts and contact configuration. A model with the same property, based on the Poisson hypothesis, is formulated for impact problems with friction and nonzero restitution coefficients. An explicit Euler scheme based on these formulations is presented and is proved to have uniformly bounded velocities as the stepsize tends to zero for the Newton–Euler formulation in body co-ordinates.     

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.      

Analysis of a quasistatic contact problem with adhesion and nonlocal friction for viscoelastic materials

A mathematical model is established to describe a contact problem between a deformable body and a foundation. The contact is bilateral and modelled with a nonlocal friction law, in which adhesion is taken into account. Evolution of the bonding field is described by a first-order differential equation. The materials behavior is modelled with a nonlinear viscoelastic constitutive law. A variational formulation of the mechanical problem is derived, and the existence and uniqueness of the weak solution can be proven if the coefficient of friction is sufficiently small. The proof is based on arguments of time-dependent variational inequalities, differential equations, and the Banach fixed-point theorem.