發(fā)布時間：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。隨著計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展,人們對于疲勞裂紋擴(kuò)展的研究已經(jīng)從宏觀尺度轉(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)展的微觀機(jī)理已經(jīng)成為關(guān)注的熱點。本文運用分子動力學(xué)方法對含晶內(nèi)和晶間邊裂紋的納米晶Ni對稱模型在一個周期的脈沖循環(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,并且通過比較分析了溫度、應(yīng)變率和裂紋開口大小對于裂紋擴(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。隨后,由于受到沿{111}(27)112(29)方向滑移的肖克萊位錯的引導(dǎo),晶內(nèi)裂紋開始沿著該位錯滑移方向擴(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萌生新的裂紋。在繼續(xù)加載的過程中,新裂紋會與原裂紋相向擴(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部分,小的部分演變成裂紋前沿的空洞。晶間裂紋則沒有實現(xiàn)局部完全閉合。溫度升高,對裂紋鈍化是有利的,因此會阻礙裂紋的擴(kuò)展。降低應(yīng)變率不僅可以促使晶內(nèi)裂紋沿著其延長線方向擴(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,加載方向名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)明顯的“臺階”,裂紋擴(kuò)展速度加快。增大裂紋開口有利于晶內(nèi)裂紋沿著(27)112(29)的位錯滑移方向擴(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 作為研究對象。利用 C 語言編寫原子模型創(chuàng)建程序，運用修改的 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 個晶粒，并且每個晶粒都是正六邊形，尺寸均為 195 。以[110]方向為 X 軸，[001]方向為 Y 軸，_[110] 方向為 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值控制在 20°到 160°之間，并且關(guān)于 X 軸對稱的上下兩部分晶粒的取向角互為相反數(shù)。在 300K 溫度下對模型進(jìn)行弛豫，隨后冷卻至5K[58]。弛豫完成之后，在模型中部通過刪除原子的手段引入長為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 作為研究對象。利用 C 語言編寫原子模型創(chuàng)建程序，運用修改的 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 個晶粒，并且每個晶粒都是正六邊形，尺寸均為 195 。以[110]方向為 X 軸，[001]方向為 Y 軸，_[110] 方向為 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值控制在 20°到 160°之間，并且關(guān)于 X 軸對稱的上下兩部分晶粒的取向角互為相反數(shù)。在 300K 溫度下對模型進(jìn)行弛豫，隨后冷卻至5K[58]。弛豫完成之后，在模型中部通過刪除原子的手段引入長為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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;O346.1

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本文編號：2700344