纳米金属丝拉伸破坏及其应变率效应

建立了适于研究纳米金属快速变形破坏过程的分子动力学模型,并对不同应变率工况下不同截面尺寸单晶镍纳米丝的零温单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟得到各种纳米镍丝的应力-应变曲线、屈服应变、屈服强度、断裂强度和初始弹性模量,提出了纳米金属丝快速变形力学性能的应变率效应预测公式并加以验证.计算表明金属纳米丝的屈服应变与尺寸和应变率无关,屈服强度、断裂强度和弹性模量与应变率呈对数关系.     

微纳米晶金属的应变率敏感性及应变硬化行为分析

基于亚微米、纳米晶粒组织塑性变形过程中多种变形机制(位错机制、扩散机制及晶界滑动机制)共存,建立了理论模型,用于定量研究亚微米、纳米晶粒组织的塑性变形行为.以铜为模型材料,计算分析了晶粒尺度、应变率以及温度对亚微米、纳米晶粒组织塑性变形行为的影响.结果表明:相比粗晶铜,亚微米晶铜表现出明显的应变率敏感性,并且应变率敏感系数随晶粒尺度及变形速率的减小而增大;同时,增大变形速率或降低变形温度都能提高材料的应变硬化能力,延缓颈缩发生,进而提高材料的延性.计算分析结果与实验报道吻合.     

纳米双晶铜单向拉伸弹性性能的应变率效应和尺寸效应

利用分子动力学方法研究了双晶铜在单向拉伸载荷作用下弹性性能的应变率效应和尺寸效应.结果表明:随着加载应变率的改变,纳米双晶铜的初始弹性模量在低应变率区和高应变率区表现出不同的规律.在低应变率区,弹性模量基本不随应变率的变化而变化;但在高应变率区,弹性模量随应变率的增大而增大,弹性模量和加载应变率之间满足近似的对数线性关系.因此,存在一个控制弹性模量应变率效应的应变率阈值.进一步的研究发现,双晶纳米铜的应变率阈值随着截面尺寸的增大而减小,具有明显的尺寸依赖性.     

纳米晶钽在单向拉伸载荷下的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了纳米晶钽在单轴拉伸载荷作用下的微观结构演化情况. 结果表明纳米晶钽在塑性变形过程中可以发生从BCC到FCC, HCP结构的应力诱导相变. FCC 结构原子百分比的最大值和试样的抗拉强度成线性关系，据此可推出一个相变发生的临界应 力值. 应变率越大，相变滞后于应力越严重. 当应变达到一定值时，试样会发生晶间断裂现 象，定量分析发现纳米晶钽晶间裂纹初始形成应变不受平均晶粒尺寸的影响，而与应变率和 模拟温度有着密切的关系.     

纯锆的本构模型研究

采用基于位错动力学理论的USCD模型，经拟舍得到纯锆的本构模型。针对其在较高应变率和较低温度下的预测结果和实验数据偏差较大的缺点，考虑锆塑性变形过程中孪晶演化的影响，对模型进行了修正。修正后的本构模型可以较好地描述纯锆在较宽温度范围内、不同应变率下的塑性变形行为，本构模型预测结果和实验数据吻合很好。     

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。     

ARALL 材料拉伸力学性能的试验研究

利用自行研制的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置对ＡＲＡＬＬ材料以及施加预应力的ＡＲＡＬＬ材料进行了３个应变率（２００、５００、１３００ｓ－１）的冲击拉伸试验，得到了两种材料在不同应变率下的完整的应力应变曲线。结果表明ＡＲＡＬＬ材料在高速加载条件下的变形可以分为弹性变形、塑性变形和材料失稳后的残余变形三个部分，每个部分都有不同的变形机理。结果还表明，随着应变率的增加两种材料的屈服应力、失稳应力以及失稳应变均相应增加，表现出明显的应变率强化和动态韧性现象。最后根据材料在不同应变率下的试验结果，建立了ＡＲＡＬＬ材料计及应变率影响的三段线性本构模型。     

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

316L不锈钢不同取向压痕应变率敏感性研究

本研究探讨了不同取向对激光选区熔化(SLM)成形316L不锈钢力学性能的影响．使用纳米压痕测试系统对SLM成形316L不锈钢扫描平面方向和叠加成形方向两个取向的试样进行测试,并通过相关计算得出了材料在这两个方向的弹性模量、硬度、应变率敏感性指数等力学参数．实验结果表明,扫描平面方向的弹性模量和叠加成形方向的弹性模量基本相同;在相同的压入应变率下,扫描平面方向的硬度大于叠加成形方向的硬度;而对于不同的压入应变率,在高应变率下的压痕硬度相对较大;随着压入深度的增加,硬度逐渐减小并趋于稳定值．此外,本研究分析了不同压入应变率下硬度和应变率敏感性指数m的压痕尺寸效应,并得到与尺寸无关的硬度和应变率敏感性指数m．最后,通过引入扫描平面方向准静态宏观压缩工况下的应变率敏感性指数m加以验证本研究的合理性,揭示了SLM成形316L不锈钢在不同取向上应变率敏感性的差异,进而为研究准静态宏观压缩下叠加成形方向的应变率敏感性提供了支撑．     

SnAgCu焊料的动态力学性能

对SnAgCu焊锡材料在应变率0.001、600、1 200、1 800 s-1下的拉伸和压缩力学性能进行了测试,得到了不同应变率下的应力应变曲线。结果表明,该材料不仅具有明显的应变率效应,而且其动、静态的塑性硬化模量差异很大。金相分析显示:准静态压缩时,塑性变形主要由晶粒的转动、变形和晶界的滑移控制;而动态压缩时,可观察到材料内部的枝状晶粒被折断为大量次级晶枝,呈现出明显不同于准静态情况下的变形机制。     

Molecular dynamics study of the mechanics of metal nanowires at finite temperature

Three-dimensional molecular dynamics simulations for mechanical properties of copper nanowires at finite temperatures were conducted with the Embedded-atom method (EAM). The stable free-relaxation state was simulated for a rectangular cross-section copper nanowire. The stress–strain curve under extension loading, elastic modulus, yielding strength and plastic deformation were studied. The results demonstrate that the strain-rate scale for nanowire is different from that for the bulk, and an explanation is presented. The dislocation movements corresponding to the plastic deformation are clearly depicted through transient atomic images. The necking and break-up phenomena are observed. This study can give more fundamental understanding of nanoscale machines from atomistic motions and contribute to the design, manufacture and manipulation of nano-devices.     

DYNAMIC MECHANICAL BEHAVIOR AND PENETRATION PERFORMANCE OF WFeNiMo HIGH-ENTROPY ALLOY 1)

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.     

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.      

Molecular dynamics study on mechanics of metal nanowire

The new concept of using nanowires as building blocks for logic and memory circuits makes it very necessary to fully understand the mechanical behaviors of these nanowires. Embedded-atom method is employed to carry out three-dimensional molecular dynamics simulations of the mechanical properties of rectangular cross-section copper nanowire. A stable free-relaxation state and the stress–strain relation of nanowire under extension are obtained. The elastic modulus, yielding strength and deformation are studied. The surface effect, size effect, and temperature effect on the extension property of metal nanowire are discussed in detail. The simulation results from our present work show that at nanoscale surface atoms play an important role on the mechanical behaviors of nano-structures. This study of mechanical properties of metal nanowires will be helpful to the design, manufacture and manipulation of nano-devices.     

The Effect of Strain Rate,Specimen Geometry and Lubrication on Responses of Aluminium AA2024 in Uniaxial Compression Experiments

The ability to observe and quantify intrinsic material response to loading at different rates of strain has been improved by reducing the errors of mechanical characterisation in uniaxial compression experiments. In order to perform comparisons of the results from uniaxial compression tests used to characterise mechanical properties of aluminium alloys at different strain rates, it is necessary to reduce errors resulting from factors such as specimen design. In this study, the effects of strain rate, specimen geometry and lubrication on the compressive properties of aluminium AA2024 alloy were quantitatively investigated by measuring the mechanical behaviour of this alloy as functions of strain rate, specimen aspect ratio and lubrication condition. Both the deformation history and the failure mode were identified using low and ultrahigh speed photography. The interaction of factors influencing the measured stress-strain response was quantified, and suitable specimen aspect ratios for compression tests at different strain rates were identified.     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

泡沫铝合金动态力学性能实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)实验技术和MTS材料实验机对两组不同孔径、不同密度的开孔泡沫铝合金进行了准静态和动态压缩实验研究。实验结果表明:泡沫铝合金的静态和动态变形过程均具有泡沫材料变形的三个阶段特征。开孔泡沫铝合金的变形是均匀变化过程，并不出现局部的变形带。与相对密度对力学性能的影响相比，孔径大小的影响可以忽略不计。在考察的应变率范围内，屈服应力对应变率并不很敏感。