分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏,大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区,发生剪切局部化,继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关,带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化,即在较低的拉伸应变下便形成剪切带,其拉伸强度也相应较低。相同条件下,一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同,但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低,主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区,导致其分布和局部化不够集中,这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。     

影响金属玻璃中剪切带行为的微观机制

论文对金属玻璃发生剪切失稳形成剪切带的行为进行了分析,得到了其发生剪切失稳时的临界自由体积浓度,预测结果与实验观察和模拟结果吻合;利用两种方法对其剪切带厚度进行了预测,结果表明基于剪切失稳临界波长预测金属玻璃剪切带厚度的方法只在发生剪切失稳后极短的时间内有效,对成熟剪切带厚度的预测必须考虑自由体积的扩散效应;考察了金属玻璃的宏微观材料参数对其剪切带厚度的影响及其微观机制,发现金属玻璃剪切带厚度对其宏观材料参数(泊松比)不敏感,对与剪切相变区相关的微结构参数敏感.     

基于原子体积场拉普拉斯算子对金属玻璃剪切转变区的预测

剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元,已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议.本文采用分子模拟方法对Cu64Zr36金属玻璃在受简单剪切加载时的变形行为展开了研究.结果表明,体系的初始构型与加载后STZ的产生是相关的.虽然原子体积场及其梯度可以用来有效表征金属玻璃中局部原子构型的非均匀性,但它们与STZ产生的区域没有直接明显的对应关系.基于此,提出一个新的局域结构参数ξ来用于金属玻璃中STZ产生区域的预测,它由两部分构成:原子体积场的拉普拉斯算子和体积场梯度分量的绝对差值.原子体积场的拉普拉斯算子为负且绝对值较大时,体积场梯度向量呈现向内指的分布特征,代表体系中的局域软区;而体积场梯度分量的绝对差值则用于遴选体积场梯度不同的分布模式.进一步地,建立了该结构参数与非仿射位移和剪切局部化三者关系,发现特定的体积场梯度向量分布模式,将导致局部剪切增强的非仿射位移场,从而更容易诱发STZ的形成.相关性分析表明,该参数与STZ区域平均相关性高于78%,因此,该参数能有效用于金属玻璃剪切转变区的预测,且运用拉普拉斯算子的思想有望应用于金属玻璃力学行为的理论分析.     

基于原子体积场拉普拉斯算子对金属玻璃剪切转变区的预测

剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元,已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议.本文采用分子模拟方法对Cu64Zr36金属玻璃在受简单剪切加载时的变形行为展开了研究.结果表明,体系的初始构型与加载后STZ的产生是相关的.虽然原子体积场及其梯度可以用来有效表征金属玻璃中局部原子构型的非均匀性,但它们与STZ产生的区域没有直接明显的对应关系.基于此,提出一个新的局域结构参数ξ来用于金属玻璃中STZ产生区域的预测,它由两部分构成:原子体积场的拉普拉斯算子和体积场梯度分量的绝对差值.原子体积场的拉普拉斯算子为负且绝对值较大时,体积场梯度向量呈现向内指的分布特征,代表体系中的局域软区;而体积场梯度分量的绝对差值则用于遴选体积场梯度不同的分布模式.进一步地,建立了该结构参数与非仿射位移和剪切局部化三者关系,发现特定的体积场梯度向量分布模式,将导致局部剪切增强的非仿射位移场,从而更容易诱发STZ的形成.相关性分析表明,该参数与STZ区域平均相关性高于78%,因此,该参数能有效用于金属玻璃剪切转变区的预测,且运用...     

块体金属玻璃的剪切带行为

0 引言玻璃态物质以纷繁多样的形式广泛存在于自然与科技技术领域[1-3].除了人们熟知的门窗上的硅酸盐无机玻璃、各种塑料制品的高聚物玻璃外,玻璃态还与光纤通讯、生物制品和生化药剂的保鲜存储、极端干燥条件下昆虫活性的保持等这些鲜为人知的方面密切相关.     

金属玻璃在不同温度下应力晶化行为的分子动力学模拟研究

金属玻璃的晶化对提高其力学性能尤其是延展性有重要意义.除了温度效应,大量文献证实应力是导致晶化的重要原因.本文通过分子动力学模拟,研究了金属玻璃铜在温度和应力两种因素联合作用下的晶化行为,分别研究了温度和应力两种因素的贡献.结果表明晶化比例随温度和应变的增大而增大,应变硬化与晶化比例之间存在正相关关系,证实了金属玻璃的应变硬化一定程度上由晶化引起.     

高速DSPI研究PLC剪切带成核演化过程

在适当的温度、应变率和预变形下,合金材料的拉伸试验中,将会出现伴随应力锯齿形跌落的雪崩式剪切变形带,即PLC(Portevin-Le Chatelier)效应。本文利用高速(1000 fps)数字散斑干涉法(DSPI),对不同加载应变率下,铝合金(LY10)试件中出现的连续(A-type)、间断(B-type)传播和随机(C-type)出现的三种PLC剪切带的瞬态成核与演化过程进行捕捉,通过对捕捉的试件表面系列散斑干涉图进行顺序相减处理,得到试件表面变形过程中位移的分布和演化系列条纹图。实验结果显示,对应于三种类型的剪切带,有两种主要的成核演化形式:1.A型剪切带的主要成核形式为先形成一个在观察平面上与拉伸轴方向成60°角并且横跨试件宽度的窄带,伴随着应力下落,剪切带开始沿自身宽度方向高速扩展达到最终宽度;2.对应于B、C型剪切带,先在观察平面上试件的一侧形成沿与拉伸轴方向呈60°角、长度约为最终长度一半的窄带。随着应力下落,带的前沿开始向试件的另一侧面沿自身长度方向传播,在传播过程中带逐渐沿自身宽度方向膨胀。带的前沿贯穿试件后,带开始高速膨胀,导致雪崩式剪切变形发生。     

碳纳米管增强硫化天然橡胶拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学(MD)模拟方法,建立了碳纳米管/硫化天然橡胶复合材料体系模型,采用ReaxFF势函数,模拟了不同碳纳米管(CNT)含量的复合材料的拉伸过程.通过计算复合材料体系的自由体积分数、均方位移及回转半径,分析了材料基本微观性质和碳纳米管团聚的机制,计算结果与实验相符.通过碳纳米管与硫化天然橡胶界面能的计算,发现在加载过程中系统总势能的变化主要由硫化天然橡胶基体引起,其中非键能起主导作用;碳纳米管由于其自身力学性能较好,且与天然橡胶分子链相互作用产生界面能,导致材料力学性能提升,材料的屈服应力随碳纳米管含量的增加而显著升高.     

含球形孔洞双晶铜单向拉伸性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了在单向拉伸载荷作用下含孔洞双晶铜晶体的力学行为,研究了晶粒内部孔洞和晶界孔洞对晶体力学行为的影响。结果表明,孔洞可以显著降低双晶体的弹性模量和屈服应力。对于晶粒内部关于晶界对称的孔洞,随着孔间距的增大,晶体弹性模量和屈服应力都有明显的提高;当保持孔间距不变而改变孔半径时,随着孔体积的不断增大,晶体弹性模量和屈服应力又都呈现出递减趋势。对于晶界上的孔洞,孔洞形状对晶体拉伸性能有显著影响,并且随着孔半径的增大,晶体弹性模量和屈服应力呈现出递减趋势,如果保持孔洞总体积恒定而依次增加孔洞数量,则晶体弹性模量和屈服应力逐渐减小。     

分子沉积膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

在利用联合原子模型并考虑静电力作用的基础上，采用分子动力学模拟方法研究了金探针作用下分子沉积膜的纳米压痕过程，并对其纳米力学行为进行了理论分析．结果表明，分子沉积膜在探针压下过程中出现了明显的接触跳跃现象，探针下面的膜的分子倾角和法向载荷呈现出相同的滞后趋势，这可能是探针和分子沉积膜之间粘着力作用的结果．     

不同温度下Cu/FeS复合材料摩擦过程中组织演变的分子动力学模拟研究

通过计算机模拟的方法对不同温度下Cu//Cu/FeS摩擦副的摩擦性能进行计算研究,结果发现:当环境的温度在500 K时,摩擦副的摩擦系数出现第一个谷值,而此时金属铜发生再结晶,黏着磨损更为明显;700 K时,黏着层数减小而摩擦系数却有所增大,主要是由于复合材料内部的FeS结构发生转变造成.计算结果还证明:在高温情况下,增强相FeS存在先分解再重新结合的2个过程,并指出Cu/FeS复合材料在900 K时,仍然具有很好的减摩耐磨作用.还对不同温度摩擦时复合材料内部的组织演变过程进行系统分析,分析结果表明,随着温度的升高,FeS的结构发生演变,从六方NiAs型超结构相转变为简单NiAs型结构相,并且随着温度的升高,FeS结构的 c/a 也在不断减小,这些都影响着复合材料的摩擦性能.     

Orientation-Dependent Morphology and Evolution of Interfacial Dislocation Networks in Ni-Based Single-Crystal Superalloys:A Molecular Dynamics Simulation

In this paper,the morphology and evolution of interfacial dislocation networks of(100),(110)and(111)interphases of Ni-based single-crystal superalloys are studied by molecular dynamics(MD)simulations.Three-dimensional cubic-type and sandwich-type models are chosen to explore the orientation-dependent morphology of dislocation networks,and their respective advantages and disadvantages are compared.From the simulations,it is observed that various lattice orientations and model types lead to different morphologies of dislocation networks.Based on the analysis of average atomic energy and dislocation characteristics,the(100)orientation model has a more regular dislocation network,lower energy and better stability than the(110)and(111)orientation models after MD relaxation,which are supported by previous experimental and numerical simulations.Moreover,the cubic-type model has lower energy and better stability than the sandwich-type model.This will be helpful for choosing a more appropriate and reasonable model for simulating the interfacial dislocation networks of Ni-based single-crystal superalloys.     

Effect of Isochronous Annealing on the Formation of Shear Bands in the Vicinity of a Stress Concentrator on the Surface of Iron-Based Amorphous Alloys

The effect of isochronous annealing on the formation of shear bands in the vicinity of a stress concentrator on the surface of an amorphous material is studied. Using the local deformation method, a parameter is introduced to determine the temperature interval in which amorphous and crystal phases coexist.     

单搭接胶接接头拉伸剪切性能的数值模拟与实验研究

采用数值模拟和光测技术对单向拉伸载荷作用下单搭接胶接接头中的剪切性能进行分析,研究了不同厚度胶层中切应力的变化规律。用有限元方法(FEM)对不同胶层厚度的试件进行建模,得到了拉伸载荷下胶粘剂中的切应力分布及其统计参数。利用数字图像相关(digitalimage correlation,DIC)方法对试件的变形场进行测量。结果表明,当胶粘剂的厚度较小时,胶粘剂中的切应力的分布统计参数随着其厚度的增加会有显著的变化,但是当厚度超过一定的数值时,统计参数对厚度的变化不再敏感。     

三维DIC在GFRP锚杆拉伸力学性能测试中的应用

随着玻璃纤维增强塑料(GFRP)广泛运用于轨道交通及边坡加固中,其力学性能的测试显得尤为重要。基于三维数字图像相关(DIC)方法,研究了三种不同加载速率下GFRP锚杆的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线及弹性模量、抗拉强度、最大力总延伸率等参数。实验结果表明,螺旋状变截面锚杆的轴向应变呈非均匀分布,由三维DIC得到的锚杆弹性模量结果一致性优于传统的接触式引伸计方法,GFRP锚杆几乎呈线性分布的应力-应变曲线表明该材料为典型的脆性材料。