發(fā)布時(shí)間：2020-06-06 22:19

【摘要】：數(shù)值模擬是疲勞裂紋擴(kuò)展研究的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展,人們對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展的研究已經(jīng)從宏觀(guān)尺度轉(zhuǎn)向微納米尺度,并且隨著研究的不斷深入,納米尺度下疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的微觀(guān)機(jī)理已經(jīng)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)含晶內(nèi)和晶間邊裂紋的納米晶Ni對(duì)稱(chēng)模型在一個(gè)周期的脈沖循環(huán)載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了模擬和研究,并且通過(guò)比較分析了溫度、應(yīng)變率和裂紋開(kāi)口大小對(duì)于裂紋擴(kuò)展行為的影響。在加載階段的初期,晶內(nèi)和晶間裂紋模型均處于彈性階段,裂紋逐漸張開(kāi)。隨后,由于受到沿{111}(27)112(29)方向滑移的肖克萊位錯(cuò)的引導(dǎo),晶內(nèi)裂紋開(kāi)始沿著該位錯(cuò)滑移方向擴(kuò)展,并且逐步鈍化。晶間裂紋則沿著晶界擴(kuò)展至三叉晶界處,并在三叉晶界處受到阻滯。不論是晶內(nèi)裂紋模型還是晶間裂紋模型,在加載階段位于裂紋前方并與載荷方向垂直的晶界都會(huì)萌生新的裂紋。在繼續(xù)加載的過(guò)程中,新裂紋會(huì)與原裂紋相向擴(kuò)展,互相接近。在卸載階段,兩種模型中的裂紋都進(jìn)入銳化過(guò)程。晶內(nèi)裂紋在卸載的最后階段形成一處局部閉合,裂紋被分隔成一大一小兩個(gè)部分,小的部分演變成裂紋前沿的空洞。晶間裂紋則沒(méi)有實(shí)現(xiàn)局部完全閉合。溫度升高,對(duì)裂紋鈍化是有利的,因此會(huì)阻礙裂紋的擴(kuò)展。降低應(yīng)變率不僅可以促使晶內(nèi)裂紋沿著其延長(zhǎng)線(xiàn)方向擴(kuò)展,還可以促使晶間裂紋轉(zhuǎn)向晶內(nèi)擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)變率為5×10~7s~(-1)時(shí),加載方向名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)明顯的“臺(tái)階”,裂紋擴(kuò)展速度加快。增大裂紋開(kāi)口有利于晶內(nèi)裂紋沿著(27)112(29)的位錯(cuò)滑移方向擴(kuò)展,并且可能促使晶間裂紋前沿形成孿晶,進(jìn)而阻礙裂紋擴(kuò)展。
【圖文】：

Ni 具有很好的可塑性、耐腐蝕、耐高溫以及防銹等性能，因此被廣泛用于飛機(jī)、雷達(dá)等各種軍工制造業(yè)，民用機(jī)械制造業(yè)和電鍍工業(yè)等領(lǐng)域。因此，本文選擇具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的 Ni 作為研究對(duì)象。利用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)原子模型創(chuàng)建程序，運(yùn)用修改的 Voronoi 方法[53,54]建立準(zhǔn)三維面心立方納米晶 Ni 模型，晶格常數(shù)a0=3.52 [23,55]。模型的尺寸為500×500×20 3，其中內(nèi)部含有14 個(gè)晶粒，并且每個(gè)晶粒都是正六邊形，尺寸均為 195 。以[110]方向?yàn)?X 軸，[001]方向?yàn)?Y 軸，_[110] 方向?yàn)?Z 軸[53,56,57]建立直角坐標(biāo)系。在 XOY 平面內(nèi)，除將 X 軸經(jīng)過(guò)的晶粒取向角設(shè)為 0°以外隨機(jī)生成其他晶粒的取向角，但是相鄰晶粒的取向角之差的絕對(duì)值控制在 20°到 160°之間，并且關(guān)于 X 軸對(duì)稱(chēng)的上下兩部分晶粒的取向角互為相反數(shù)。在 300K 溫度下對(duì)模型進(jìn)行弛豫，隨后冷卻至5K[58]。弛豫完成之后，在模型中部通過(guò)刪除原子的手段引入長(zhǎng)為150 ，寬度為 5 的邊裂紋，如圖 3-1 所示。

Ni 具有很好的可塑性、耐腐蝕、耐高溫以及防銹等性能，因此被廣泛用于飛機(jī)、雷達(dá)等各種軍工制造業(yè)，民用機(jī)械制造業(yè)和電鍍工業(yè)等領(lǐng)域。因此，本文選擇具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的 Ni 作為研究對(duì)象。利用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)原子模型創(chuàng)建程序，運(yùn)用修改的 Voronoi 方法[53,54]建立準(zhǔn)三維面心立方納米晶 Ni 模型，晶格常數(shù)a0=3.52 [23,55]。模型的尺寸為500×500×20 3，其中內(nèi)部含有14 個(gè)晶粒，并且每個(gè)晶粒都是正六邊形，尺寸均為 195 。以[110]方向?yàn)?X 軸，[001]方向?yàn)?Y 軸，_[110] 方向?yàn)?Z 軸[53,56,57]建立直角坐標(biāo)系。在 XOY 平面內(nèi)，除將 X 軸經(jīng)過(guò)的晶粒取向角設(shè)為 0°以外隨機(jī)生成其他晶粒的取向角，但是相鄰晶粒的取向角之差的絕對(duì)值控制在 20°到 160°之間，并且關(guān)于 X 軸對(duì)稱(chēng)的上下兩部分晶粒的取向角互為相反數(shù)。在 300K 溫度下對(duì)模型進(jìn)行弛豫，隨后冷卻至5K[58]。弛豫完成之后，在模型中部通過(guò)刪除原子的手段引入長(zhǎng)為150 ，寬度為 5 的邊裂紋，，如圖 3-1 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1;O346.1

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本文編號(hào)：2700344