位错与溶质原子间动态相互作用的数值模拟研究

通过Cottrell-Bilby型溶质动力学模型，对位错线周围的溶质原子浓度随应变率的变化进行了研究，并得到了三种不同的位错-溶质相互作用方式：在低应变率时，位错被溶质原子气团充分钉扎，它上面的溶质浓度近似达到饱和；在高应变率时，脱钉作用占主导地位，位错运动几乎不受深质影响；而在中间应变率时，位错反复经历着钉扎和脱钉过程，动态应变时效发生.此外，通过对模型方程的推导，还自然地得到了平衡状态下率相关流动应力与应变率之间的N形关系曲线. 关键词： 位错 溶质原子 动态应变时效 数值模拟     

温度对位错滑移运动影响的晶体相场模拟

在原有的晶体相场模型的自由能密度函数基础上,引入外力场与体系原子密度场耦合作用项,能够对样品施加剪切应变作用,实现位错的滑移运动。研究不同温度情况下的位错滑移特性。研究发现,位错的启动,存在一个临界温度,当温度高于临界温度时,外加一定的应变率才能启动位错运动。较低的体系温度有利于刃型位错的滑移。随着体系温度升高,刃型位错水平滑移速度变慢,而垂直方向的攀移运动明显增加。在高温情况下攀移已成为位错运动的主要形式。     

Al-4.5wt%Cu合金中溶质原子及析出相对锯齿形屈服时空特性的影响

借助不同温度下的固溶处理，得到一系列具有不同溶质原子浓度及析出相含量的Al-4.5wt%Cu合金材料试件.比较这些试件在拉伸实验中的锯齿形屈服现象的时空特性，分析溶质原子与析出相对位错运动的影响，从而探究动态应变时效产生的微观机理.实验结果显示，当固溶处理温度由500℃逐步降低，应力-时间曲线上的应力锯齿跌落幅值逐渐减小，并在300℃时达到最小.继续降低固溶处理温度至100℃，应力锯齿跌落幅值又逐渐增大.同时，热处理方式的改变对剪切带的传播特性也有显著影响.实验发现，固溶处理温度高于300℃时，溶质原子对DSA的影响强于析出相；反之，固溶处理温度低于300℃时，析出相对DSA的影响强于溶质原子；室温下析出相是影响Al-4.5wt%Cu合金DSA机理的主要因素. 关键词： 铝铜合金 锯齿形屈服 动态应变时效 固溶处理     

退火铝合金中Portevin-Le Chatelier效应的数值模拟研究

通过综合考虑沉淀动力学和动态应变时效机理，建立了一套具有明确物理内涵的唯象本构模型.并在对不同加载应变率下的单轴拉伸实验的数值模拟中，得到了3种类型的Portevin-Le Chatelier效应应力曲线.计算结果与实验数据的较好吻合，验证了该模型的有效性. 关键词： Portevin-Le Chatelier效应 动态应变时效 数值模拟     

Cu刃型扩展位错附近局部应变场的原子模拟研究

通过结合virial应变分析技术的准连续介质多尺度模拟方法研究了金属Cu刃型扩展位错的局部应变场.结果表明在距离位错核心几十纳米的区域内晶体处于小变形状态,virial应变计算结果与弹性理论预测结果符合得相当好,当距离位错核心仅几纳米时,晶格畸变加剧,virial应变极大值出现在扩展位错两端的Shockley分位错芯部.进一步分析表明Shockley分位错芯部严重畸变区大致呈长轴7b1、短轴3b1的椭圆形,其中b1为分位错柏氏矢量的长度.     

外延生长薄膜中失配位错形成条件的分子动力学模拟研究

运用分子动力学方法对负失配条件下的外延铝簿膜中失配位错的形成进行了模拟研究.所采 用的原子间相互作用势为嵌入原子法(EAM)多体势.模拟结果显示：在500K下长时间静态弛豫 ，表面和内部结构完整的外延膜在9—80原子层厚度范围内(约为其热力学临界厚度的3—40 倍)均不形成失配位错，而在薄膜表面预置一个单原子层厚、三个原子直径大小的凸台或凹 坑时，失配位错则能够在15个原子层厚的外延膜上迅速形成：在动态沉积生长条件下，表面 自然形成凹凸，初始厚度为9个原子层厚的外延膜在沉积生长中迅速形成失配位错.在三种条 件下，所形成的位错均为伯格斯矢量与失配方向平行的全刃位错.分析发现：在压应力作用 下，表面微凸台诱发了其侧薄膜内部原子的挤出，造成位错形核；而表面微凹坑则直接因压 应力作用形成了一个表面半位错环核. 关键词： 外延薄膜 失配位错 分子动力学 铝     

气温和颗粒密度对声场中颗粒动力学影响的数值模拟

综合考虑黏性夹带力、Basset力、虚拟质量力和压力梯度力,建立颗粒在声场中的动力学模型,利用变步长四阶RungeKutta算法和二阶隐式Adams插值算法对颗粒的受力和运动进行数值模拟。将模拟和实验得到的颗粒运动特性进行对比,验证数值模拟的正确性。在此基础上,研究气温和颗粒密度对颗粒动力学的影响规律。结果表明,黏性夹带力对颗粒运动起主导作用;气温升高,压力梯度力与黏性夹带力之间的相位差减小,Basset力、虚拟质量力与黏性夹带力之间的相位差增大。研究还发现,气温较低时,颗粒密度对颗粒运动有重要影响,夹带系数随着密度的增加而迅速下降;气温较高时,颗粒密度对颗粒运动的影响较小,颗粒位移振幅和夹带系数相对低温时明显增加。     

风沙运动的DPM数值模拟

采用离散颗粒模型对风沙气固两相流动进行了数值计算．在该模型中,采用体平均的Navier-Stokes方程来描述气相的运动,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,求解颗粒运动方程．采用硬球模型描述颗粒问碰撞作用．计算结果表明,沙粒平均水平速度廓线在0．02 m以上高度可以表示为按对数函数或幂函数规律增加,在0．02 m以下则发生偏离;在大于0．02 m的高度,输沙通量随高度按指数规律衰减,而在地面附近由于颗粒蠕移的影响发生偏离,这与已有文献结果一致。本文的模拟有助于风沙运动规律的研究与掌握。     

甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟

将六步简化甲烷燃烧反应模型与层流Ｎ－Ｓ方程相结合，数值模拟了定常与非定常的甲烷预混燃烧火焰．得到了速度、温度和包括ＣＯ和ＮＯ在内的十种组份的浓度分布；预测了进气流量脉动时的燃烧流场特性．该模型及其计算软件可较推确地模拟化学反应动力学起主导作用的甲烷预混燃烧现象，为研究燃烧过程特性，发展高效低污染燃烧技术与设备提供了有力的数值研究工具．     

剪切应变下刃型位错的滑移机理的晶体相场模拟

针对刃型位错的滑移运动, 构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用的体系自由能密度函数, 建立剪切应变作用体系的晶体相场模型. 模拟了双相双晶体系的位错攀移和滑移运动, 计算了位错滑移的Peierls势垒和滑移速度. 结果表明: 施加较大的剪切应变率作用, 体系能量变化为单调光滑曲线, 位错以恒定速度做连续运动, 具有刚性运动特征; 剪切应变率较小时, 体系能量变化出现周期波动特征, 位错运动是处于低速不连续运动状态, 运动出现周期“颠簸”式滑移运动, 具有黏滞运动特征; 位错启动运动, 存在临界的势垒. 位错启动攀移运动的Peierls势垒要比启动滑移Peierls势垒大几倍. 位错攀移和滑移运动特征与实验结果相符合.     

Effect of solute concentration on the serrated flow in solution-treated Al--4%Cu alloys

In order to compare with annealed Al--4%Cu alloys, the influence of solute concentration on the serrated flow is investigated by solution treatment. In this paper, some dynamic parameters, such as critical time and the ultimate tensile strength are obtained. Moreover, the change of the strain rate range for serrated flow in Al--4%Cu alloys prepared by annealing and quenching heat treatments is reported too. The difference between them is attributed to the increasing solute concentration in the bulk of the solution treated materials.     

Evolution of mechanical response and dislocation microstructures in small-scale specimens under slightly different loading conditions

In small dimensions, the flow stress of metallic samples shows a size-dependence such that smaller is stronger, even in nominally strain gradient-free loading conditions. However, the role of the boundary conditions in miniaturised tension or compression tests on the mechanical response and dislocation structure has not been studied in detail. In simulations performed with a three-dimensional discrete dislocation dynamics tool, initial, well-defined dislocation microstructures are loaded in tension with different boundary conditions including superimposed torsion moments. The influence of the loading conditions on details of the evolving dislocation microstructure was investigated by using identical starting configuration. An additional torsion moment significantly influences the dislocation activity since forest-dislocations are generated, but size effect of the flow stress is found to be unchanged.     

Influence of solute cloud and precipitates on spatiotemporal characteristics of Portevin-Le Chatelier effect in A2024 aluminum alloys

In this paper, solute concentration and precipitate content in A2024 aluminum alloy are adjusted by solution treatment (ST) at different temperatures and tensile experiments on these treated specimens are carried out. It is found that the temperature of solution treatment (ST temperature) has a remarkable influence on the amplitude of the serrated flow and the propagation characteristics of shear bands. These results are due to the effects of solute atoms and precipitates on dynamic strain aging (DSA). When ST temperature is higher than 300~℃, solute concentration is relatively high and solute cloud is a key factor of DSA. When ST temperature is lower than 300~℃, precipitate content is relatively high and the mechanism of DSA is determined by precipitates.     

爆炸气泡与自由水面相互作用动力学研究

为探究爆炸水幕形态与水下流场变化之间的联系,设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统.采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态的演变过程,获得了三种典型气泡形态和六种典型水幕形态.通过观察气泡-水面-空气之间的流场变化和理论分析,揭示了六种形态水幕的演变规律及其形成机理,并与电火花形成气泡实验结果进行了对比分析.通过对不同比例深度条件下的气泡横向半径、纵向半径、膨胀时间、脉动周期、气泡边界运动过程等的统计分析,揭示了近水面水下爆炸形成气泡的动力学过程.     

Atomistic Simulations of Integranular Fracture in Symmetric-Tilt Grain Boundaries

Fracture experiments on symmetric-tilt grain boundaries in Cu are interpreted using the Peierls-Nabarro continuum model of dislocation nucleation as a starting point. Good agreement is found only when the continuum model is modified according to the results of atomistic simulations. The same experiments are also reproduced by direct Molecular Dynamics simulations of fracture propagation and dislocation emission from a microcrack placed in the interface plane of the symmetric-tilt (221)(221) grain boundary in fcc Cu. Direction-dependent fracture response is observed, namely the microcrack advancing by brittle fracture along the [11 ] direction and being blunted by dislocation emission along the opposite [ 4] direction. Moreover, the simulations allow us to establish important differences with respect to the continuum-model predictions due to the shielding of the stress field at the crack-tip and to the presence of the residual stress at the interface.     

固溶处理对Al-Cu合金中Portevin-Le Chatelier效应空域行为的影响

研究了在定加载速率拉伸条件下，固溶处理对Al-Cu合金材料中PLC(Portevin-Le Chatelier)效应空域行为的影响.在较低拉伸速率时，变形初期PLC变形带在试件宽度方向中央附近某点处“成核”.随着变形的继续，出现多带共存的现象.且带宽较小，带与拉伸轴向的夹角较大.在较大拉伸速率条件下，PLC变形带先连续传播，再随机出现. 关键词： PLC效应 动态应变时效 固溶处理