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.     

界面裂纹萌生与扩展的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了裂纹在界面端处萌生与沿界面扩展的临界条件. 模拟考虑了一双相材料的3种模型,即构成90°/90°和 90°/180°夹角的两个界面端和一个界面裂纹. 模拟采用了包含原子区域与连续区域的并发型多尺度模型,即在界面端尖端和裂纹尖端附近 采用分子动力学(MD)方法,MD区域之外则按照线弹性有限元方法分析. 结果表明,在断裂启动时刻,3个模型沿界面的最大应力均达到界面理想强度;而且,其界 面能恰好足以克服界面材料的本征内聚能. 因此,界面端裂纹萌生与沿界面扩展的断裂条件可以通过界面理想强度和内聚能联系起来. 并基于模拟计算结果提出了界面断裂启动的统一准则.     

压头不同晶向下纳米压痕的多尺度研究

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕的影响,采用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程。通过对比不同晶向下压头在薄膜上触发的原子滑移,发现压头的晶向引起的界面失配位错在很大程度上决定薄膜开启初始原子滑移系的难易。然后对比了压头在不同晶向下测得的薄膜纳米硬度,发现其计算值是一样的。最后研究压头表面和压痕表面的正应力和切应力的分布,分析了应力分布与原子滑移系的关系。     

纳米材料力学行为的原子尺度模拟研究

对几何尺寸极小的纳米材料而言, 数值模拟是与实验测试同样有效的研究手段, 而且, 当材料特征尺寸更小、缺乏可用的测试系统时, 数值模拟可能是唯一的方法. 介绍了近年来纳米材料力学行为的原子尺度数值模拟研究方面的若干新进展, 重点综述了采用分子动力学模拟与第一原理计算对纳米材料的晶格不稳定性、理想强度、界面断裂、碳纳米管的力电特性和铁电纳米材料的力电特性等问题的研究结果. 总结介绍了纳米材料原子尺度模拟中一些实用的计算策略和方法, 并提出了若干需要进一步研究的问题.     

纳米材料力学行为的原子尺度模拟研究

对几何尺寸极小的纳米材料而言,数值模拟是与实验测试同样有效的研究手段, 而且,当材料特征尺寸更小、缺乏可用的测试系统时,数值模拟可能是唯一的方法.介绍了近年来纳米材料力学行为的原子尺度数值模拟研究方面的若干新进展,重点综述了采用分子动力学模拟与第一原理计算对纳米材料的晶格不稳定性、理想强度、界面断裂、碳纳米管的力电特性和铁电纳米材料的力电特性等问题的研究结果.总结介绍了纳米材料原子尺度模拟中一些实用的计算策略和方法,并提出了若干需要进一步研究的问题.      

综述：微纳米尺度材料与结构的原位疲劳实验及性能研究进展

随着集成电路芯片、传感器、柔性电路系统、微/纳机电系统等微机械装置向集成化和小型化不断发展,如何预测其内部微纳米尺度结构和材料的机械性能及其可靠性成为了制约上述微机械装置进一步发展和应用的关键问题之一。在这些装置的长期使役过程中,微纳米尺度材料的疲劳性能又成为了近年来人们关注的热点问题。针对上述问题,首先,调研了与微纳米尺度材料原位疲劳实验方法和疲劳性能研究有关的文献。然后,总结了微纳米尺度原位疲劳实验方法和疲劳性能的研究现状,包括含有孪晶组织金属、梯度组织或粗细晶金属以及在单轴、多轴应力状态下的金属疲劳性能研究,并归纳了微纳米尺度界面疲劳损伤行为的研究现状。最后,对微纳米尺度材料的疲劳性能研究进行了展望,提出了对未来发展方向的思考。     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程,对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展,然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟,研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明,不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能,这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品,在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化;含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂,裂尖原子没有出现微结构的变化,其强度和抗断裂性能最低。此外,不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化,对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样,高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样,高应力不仅分布在裂尖,也分布在位错发射和堆积层错形成的区域,在裂纹/孔洞扩展之前,应力随着加载时间的增加而迅速增加,而一旦裂纹或孔洞开始扩展,应力增加非常缓慢或几乎不增加,但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明,在I型...     

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。     

瓷修复体界面断裂行为的模拟实验研究

本文利用云纹干涉法和云纹干涉－－有限元混合法，对瓷修复体的模拟双材料模型界面断裂问题进行了实验研究。用云纹干涉和数字错位云纹干涉法测量带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场，实验表明，由于界面两两侧材料力学性质不同，表现出界面剪切断裂问题的非称性和裂尖附近复合型断裂的特点；用云纹干涉法和有限元法相结合的混合法对粘接界面角点应力奇异性进行研究，并对角点附近应力应变场作了分析，得到了应力奇异指数与边界楔角，载荷的关系，证明了用界面应力强度因子Kf来描述界面端部区域应力分布的公式，并得到了双材料界面端部区域的应力应变分布情况。本文的实验结果为进一步研究口腔金瓷修复体界面的优化设计提供了基础，同时也说明云纹干涉法对于双材料界面断裂行为的研究是有效的。     

新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制

“纳米结构” 化是金属及其合金材料获得优异力学性能的有效途径.纳米结构金属材料表面或内部的缺陷, 包括晶界、位错、孪晶、孔洞、裂纹、第二相等, 其形核、演化及互相作用对材料的强度和韧性具有重要影响. 该文综述了与上述科学问题相关的新型纳米结构金属材料的微观组织结构表征及力学性能测试、强韧化机制计算模拟方面的研究进展. 并讨论了急需从微观尺度上就新型纳米结构金属材料的特征力学行为和关键变形机制开展深入、系统研究.      

再论超高周疲劳裂纹萌生特征区

关于合金材料超高周疲劳, 笔者提出了裂纹萌生特征区及特征参数的概念, 并提出了“大数往复挤压” 模型揭示裂纹萌生特征区形成机理. 对于高强钢, 该特征区为断裂面的细颗粒区; 对于钛合金, 该特征区为断裂面的粗糙区. 近年, 关于合金材料超高周疲劳裂纹萌生过程与机理受到疲劳领域广泛关注, 并有若干研究新进展. 对此, 有几个问题需要进一步论述, 包括: (1) 微结构细化并演化为纳米晶层的裂纹萌生特征区是发生在裂纹形成之前或之后? (2) 特征区的形成与加载应力比的关系? (3) 特征区纳米晶层的厚度、连续性和微结构细化程度? (4) 特征区的形成是否需要真空环境? 此外, 不同高强合金和不同加载方式的特征区形态也有新的进展. 本文将基于近年文献中的结果, 对这些问题进行综合论述. 本文还简要论述了裂纹萌生特征区概念和大数往复挤压模型的启示, 包括: 合金材料超高周疲劳特性的评估与预测、提高增材合金材料超高周疲劳性能的途径、制备纳米晶薄层材料的可能性. 在郑哲敏先生仙逝一周年之际, 以此文告慰我的导师郑先生.      

纳米孪晶和梯度纳米结构金属强韧特性研究进展

金属材料在航空、航天工业以及民用工业等领域具有广泛的应用,如何获取同时具备高强度和良好塑性的金属材料一直是材料、物理、力学等不同学科长期以来亟待解决的难题.传统的强化方法包括应变强化、固溶强化、相变强化、晶粒细化强化和第二相弥散强化等,均会使材料的韧性或塑性降低.近年来,实验研究发现通过界面设计和微结构调控来可以制备出高强高韧的金属材料,认为位错与各类界面的相互作用、以及微结构优化对应力集中的削弱是材料强化和韧化的主要原因.根据已有实验观察,人们通过原子尺度方法定量分析高强高韧金属材料的变形机理,揭示其强化和韧化机制;同时,发展出基于变形机理的理论模型和有限元方法定量描述高强高韧金属的力学行为.论文将重点介绍纳米孪晶金属和梯度纳米结构金属的强韧特性研究进展,并对新型纳米结构金属材料的强韧特性优化进行展望.     

近场动力学在断裂力学领域的研究进展

近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.      

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.     

两相材料界面裂纹的起裂方向及断裂参量研究

采用FRANC2D软件研究了两相材料含界面裂纹的断裂特性。通过在材料界面利用CASCA手动生成界面裂纹并在裂纹尖端附近设置1/4奇异等参元,得到了界面裂纹的复应力强度因子;数值模拟得到了界面裂纹的起裂方向,并分析了界面裂纹的破坏特征。计算结果表明:1/4奇异等参元很好地描述了裂纹尖端场的1/r(1/2)奇异性,FRANC2D软件能够模拟界面裂纹的扩展方向,可以得到界面裂纹尖端的应力场和复应力强度因子,为界面裂纹的断裂特性的进一步分析提供依据。     

三维计算断裂力学

断裂力学理论从1921年Griffith研究玻璃的脆性断裂问题开始,经历了从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系、从单参数到多参数体系和从理想的二维平面理论到实际三维含裂纹结构的三维断裂理论的发展历程。针对应力强度因子K和J积分以及C(t)积分的计算方法从理想化模型的理论计算发展到实际复杂工程结构裂纹体计算的各种商业软件平台以及专业的断裂理论分析平台。尤其是随着计算机技术的发展,对三维含裂结构的静态和扩展裂纹的计算模拟已经能够融入计算机辅助设计。结合本研究组近30年来在三维疲劳断裂理论和应用研究方面的体会,简述了三维计算断裂力学从裂纹体应力应变分析和断裂参数计算到三维蠕变断裂和疲劳裂纹扩展模拟的国内外进展,并对涉及的计算方法,包括原子尺度和跨尺度的计算模拟,以及目前面临的挑战性问题作了简要介绍和分析。     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

双材料梁界面力学及其应用:综述

双材料结构在工程中得到了广泛应用,如薄膜涂层、压电材料、复合材料层合板和夹层板、粘结接头、FRP加固混凝土结构等;然而,这些结构的破坏通常是从界面及其附近开始的.通常利用损伤力学的方法(材料强度的方法)来预测裂纹的萌生,利用断裂力学的方法来预测裂纹的扩展;因此,开展双材料结构的界面应力分析和具分层双材料结构的断裂以及相关分析是至关重要的.首先介绍双材料梁粘结界面应力分析的基本模型,从而为预测裂纹的萌生提供了有力工具.然后综述双材料梁界面断裂力学分析的基本方法,并详细介绍解析解求解的裂纹尖端法及其相关模型,重点强调裂纹尖端变形对分析结果的影响.最后介绍界面分层对双材料结构其它力学特性的影响,例如屈曲和振动特性.     

微纳米材料及其结构的界面强度的实验研究

介绍了近年来微纳米材料强度实验测试研究方面的最新进展,重点综述了可用于微纳米材料及其结构中界面强度测试的实验系统、测试方法及结果.主要内容包括:测试微纳米薄膜界面端分层裂纹启裂的夹层悬臂梁方法,测试纳米岛/衬底间界面结合强度的改进AFM (atomic force microscopy)方法, 测试裂纹沿界面扩展的预裂纹法,可实现纳米薄膜界面裂纹原位观察的实验测试方法,测试薄膜在疲劳、蠕变条件下界面裂纹扩展的改进4点弯曲法等.除了总结分析测试结果,还讨论了上述实验方法的优缺点和适用范围,并指出了微纳米材料界面强度实验研究方面的一些挑战与难点,最后提出了若干需要继续研究的课题.      

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。