冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究

通过分子动力学模拟研究了在相同冲击加载强度下单晶铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征,结果发现氦泡和孔洞的塌缩是由发射剪切型位错环引起的,而没有观测到棱锥型位错环发射. 氦泡和孔洞周围的位错优先成核位置基本一致,但是氦泡周围发射的位错环数目比孔洞多,位错环发射速度明显比孔洞快. 且氦泡和孔洞被冲击波先扫过部分比后扫过部分发射位错困难. 通过滑移面上的分解应力分析发现,氦泡和孔洞周围塑性特征的差别是由于氦泡内压引起最大分解应力分布改变造成的. 氦泡和孔洞被冲击波先后扫过部分塑性不对称是因为冲击波扫过时引起形状变化, 关键词： 分子动力学 冲击波 氦泡 孔洞     

冲击加载下材料破坏准则的规范场理论

 本文给出了规范场理论中的Bessel-Hagen散度不变性的广义E. Noether对称定理。应用此定理及缺陷的规范场理论，研究了材料在强动外载作用下的动力学性质，给出了破坏准则的一般公式，此公式定量地反映了缺陷和外载对材料破坏的影响。作为一个例子，研究了强冲击波作用下材料的破坏情况，使一般公式具体化了，而且定量地反映了冲击波的速度、压力和缺陷对材料破坏的影响。     

金属材料中氦泡生长的计算机模拟

由中子辐照引起的(n，α)反应会在核反应堆材料中残留—些氦原子。氦为惰性元素，不与其它原子结合，在材料中的溶解度极低，而且原子半径小，因此很容易在材料中迁移。氦原子首先向晶界、位错等缺陷处聚集而形成气泡，氦泡的形成使系统的总能量降低。小的氦泡又通过热运动而融合为更大的氦泡。氦泡的存在对材料性能有相当大的影响，例如它会使材料的脆性增加，严重制约了核反应堆的使用寿命。因此，金属材料中的氦泡生长问题一直受到人们的关注。     

α-Fe中氦泡极限压强的分子动力学模拟

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各模型中位错环开始形成时的氦泡极限压强和临界氦空位比.研究结果表明:对于无量纲半径介于2—1...     

孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究

在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.     

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。     

晶体相场法研究衬底小倾角对界面形态演化的影响

采用晶体相场模型模拟了异质外延过程中不同衬底倾角时外延层的生长过程,研究了较大晶格错配度(??10.0)时不同衬底倾角下外延层的生长形貌和界面平均厚度,分析了晶格失配和衬底倾角对外延层的影响。研究表明,在错配度较大时,随着衬底倾角的增大,外延层由层状生长(0°与1°)转变为岛状生长(2°)。     

晶体凸面外延生长演化过程的相场模拟

应用晶体相场法,模拟再现晶体凸面异质外延的生长过程。研究表明,当衬底倾角为50错配度为0.05时,外延层并不是单一模式进行生长,外延层表面会存在断层现象;当衬底倾角为70时,错配度较小时外延层以岛状模式生长,生长完成后,不产生位错;错配度较大时,外延层以岛状和层状相结合的模式生长,生长完成后产生位错。     

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响.结果表明:在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔.实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放.     

平面弱激波加载下球形气泡演化的实验研究

 利用高速摄影机直接观测了激波加载下球形气泡的演化过程。采用白色的烟雾颗粒对气泡内透明的测试气体进行染色,直接观察到了气泡界面。通过对平面弱激波加载下轻气体气泡和重气体气泡进行研究,成功验证了轻气体气泡和重气体气泡演化过程中出现的典型界面结构,获得了弱激波加载轻气体气泡中背风涡环的环状几何结构。运用相关方法分析了轻气体气泡实验初期的流场分布,得到的结果与理论分析结果吻合得很好,对于此类实验的数据处理具有一定的启发意义。同时,实验中使用的烟雾颗粒法为今后在球形气泡实验中引入更为精确的平面激光诱导荧光技术（PLIF）、激光粒子图像测速技术（PIV）等实验测试系统提供了布撒示踪粒子的范例。     

运动激波和气泡串相互作用的初步数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证Level set方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用2阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO求解Level set方程追踪多流体界面,采用GFM方法处理流体内界面.利用文[1]的计算结果校核本文程序.在此基础上,对运动激波和气泡串相互作用过程进行了初步数值模拟,得到了不同时刻运动激波和圆管内的两个气泡作用后的演化图象,包括压力和密度等值线分布.计算结果表明:针对推广后的多界面Level set方程,该方法仍可高质量地捕捉多个流体界面.     

材料中氦泡迁移-融合的蒙特卡罗模拟及其参数优化

基于迁移-融合机制, 建立了一套用于模拟材料中氦泡生长行为的蒙特卡罗程序, 探讨了时间步长等控制参数对演化的影响。 研究指出,在考察此类参数对计算的影响时必须考虑氦的初始分布,另外指出在选取邻居半径时除了要考虑到初始分布外还要考虑邻居更新的快慢。 The evolution of helium bubbles in materials has been simulated by Monte Carlo methods based on the migration coalescence mechanism. The influences of simulation parameters on the results are studied. It is found that the initial depth distribution must be considered when assessing the parameters influence, and the frequency of updating neighbor list should also be taken into account when selecting the cutoff range for neighbors.     

相场法模拟第二相颗粒对柱状晶形成的影响

基于定向退火条件下的移动热区模型,采用相场法研究第二相颗粒对多晶材料中柱状晶结构形成的影响.结果表明:第二相颗粒对柱状晶结构的形成具有抑制作用,其抑制作用随第二相颗粒体积分数的增加和第二相颗粒尺寸的减小而增强.定向退火条件下第二相颗粒对晶粒极限尺寸的影响遵循Zener关系.为了获得良好的柱状晶结构,应尽量减少材料中第二相颗粒的体积分数及其在晶界上的弥散分布.     

晶体相场方法模拟纳米孪晶结构

应用双模晶体相场模型,模拟共格纳米孪晶结构.结果表明:球状晶粒生长成的共格孪晶片层,在共格面上的原子排列有变形,容易出现位错;条状晶粒凝固生长成的共格孪晶界,比用球状晶粒长大生成的共格孪晶界的原子排列整齐.应用晶体相场模型,可以精确计算纳米孪晶带的厚度,设计和控制带内的原子层数,实现人工操纵纳米共格孪晶片层结构,指导实验研究纳米孪晶结构及其与性能的关系.     

非晶一次晶化过程微观组织演化和生长动力学的相场法研究

在晶化物理模型中添加扩散系数对晶化过程的影响, 采用相场方法研究初始形核率和初始形核半径对一次晶化过程中微观组织和生长动力学的影响。结果表明: 随着初始形核率的增加, 相同时间内非晶一次晶化的晶粒数量逐渐增加, 晶粒尺寸逐渐减小。晶化分数随着演化时间和初始形核率的增加逐渐增大, 初始形核率越大, 相同演化时间内的晶化分数越高。不同初始形核半径情况下, 非晶一次晶化过程中的晶粒数量和尺寸随着演化时间的增加基本保持不变。晶化分数随着演化时间的增加而增大。不同初始形核率和初始形核半径情况下所对应的生长指数均小于1, 表明初始形核率和初始形核半径对晶化方式无影响, 均为一次晶化。改变初始形核率和初始形核半径可调控一次晶化微观组织结构, 而晶粒尺寸及晶化分数直接关系到合金性能。     

氦对铜钨纳米多层膜界面稳定性的影响

采用射频磁控溅射方法,分别在纯Ar和Ar, He混合气氛下制备了多个不同调制周期的Cu/W纳米多层膜. 利用增强质子背散射(EPBS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分别对Cu/W多层膜中He含量、 截面形貌和相结构进行了分析.结果表明:多层膜的界面稳定性是耐氦损伤的前提和保证. 在适当的调制周期下,纳米多层膜能有抑制氦泡成核及长大的能力.     

纳观尺度裂纹扩展微观机理的晶体相场法研究

采用晶体相场方法模拟不同预变形量的样品在单轴拉应变作用下的纳观裂纹扩展行为.观察纳观尺度的裂纹演化过程,结果表明：对于无预变形的样品,在拉应变作用下,由于裂口处应变集中,当应变量达到临界值时,裂口开始起裂并伴随位错出现,随着裂尖的前进位错伴随着裂尖而滑移.对于预变形的样品,在较小的临界应变值裂口起裂,且预变形量越大,裂纹越易起裂和扩展.在裂纹扩展早期阶段呈现出扩展-转向-扩展的长大特征,其本质是裂纹扩展由于裂尖附近的位错滑移受阻引起应变集中,造成主次原子晶面方向的原子键交替断裂,使得裂尖扩展沿[√3,1]和[√3,-1]方向交替改变而前进,裂纹边缘呈锯齿形状.样品的裂纹扩展后期出现显著的类似解理裂纹扩展行为,解理方向沿[√3,1]和[√3,-1]方向,且预变形量大的样品裂纹解理扩展更明显且扩展较快.     

高应变率拉伸下纯铝中氦泡长大的动力学研究

 分析了高应变率加载下纯铝中氦泡长大的动力学过程,给出了含内压氦泡长大的动力学方程,并且分别研究了氦泡内压、基体材料惯性、粘性、表面张力以及基体环境温度对初始半径为1 nm氦泡长大的影响。研究结果表明：（1）初始内压可以促使氦泡快速长大,当氦泡直径超过1 μm时,内压对氦泡长大的影响可以忽略不计。（2）表面张力在氦泡整个长大过程中的影响都很小。（3）材料惯性对氦泡长大起抑制作用,并且随着氦泡半径的增长,抑制效应越来越明显。（4）在所有因素中,温度对氦泡长大的影响最为明显,温度升高,材料的粘性降低,氦泡的内压增加,促使氦泡加速长大。     

Phase Transition for a Mixed Spin-1/2 and Spin-sB System with a Transverse Crystal Field

The critical behaviors of a mixed spin-1/2 and spin-s_B Ising system with a transverse crystal field are studied by use of the effective-field theory with correlations. The effect of the transverse crystal field on transition temperatures is investigated numerically for the honeycomb (z=3) and square (z=4) lattices. The results show that there is no tricritical point for the system.