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《长春理工大学》 2019年
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单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学模拟

臧翔  
【摘要】:钛金属的力学性能出色,主要用于承力部件的制造,所以预防构件断裂失效尤为重要,而裂纹扩展是发生断裂的重要环节。钛金属在材料制备过程中,表面或内部会产生微观裂纹,这些缺陷在零件服役过程中会发生扩展生长,为零件断裂埋下隐患,而裂纹的前期扩展非常微观,传统仿真及实验方法难以对其有效预测分析。本文采用分子动力学数值模拟,通过仿真不同环境因素下,不同载荷条件下,不同类型裂纹的扩展情况加以研究,从纳米尺度,揭示单晶及多晶钛内部微裂纹的扩展机制。从微观角度分析可知,裂纹尖端的原子会在应力集中作用下变得活跃无序,裂尖原子间距加大,原子键伸长,能量升高,当原子键吸收的能量突破临界状态后,裂尖处原子相互作用被打破,导致裂纹失稳扩展。裂尖处的裂纹扩展与位错发射交替进行,位错周围原子具有较高势能,位错的发射、增殖与裂纹生长间存在竞争关系。在对单晶钛裂纹研究中发现:载荷方向会决定单晶钛裂纹扩展为孔洞还是颈缩愈合;高应变率载荷下裂纹扩展启动更早,在模型达到相同应变值时,高应变率造成的晶格相变比例更高,对材料破坏更为严重;环境温度对于裂纹发射位错频率及位错增殖密度有明显影响;拉压对称载荷对材料保护十分友好,且频率越低,裂纹形态越稳定。多晶钛模拟研究中发现:低温下裂纹会发生脆性解理,材料低温脆化主要是由于晶界原子结合力的下降,晶界对裂纹路径有导向作用;高温下,多晶钛韧性增强,晶界作用被削弱,裂纹发生塑性扩展,演变为孔洞。钝化受阻的裂尖会通过发射位错转向,沿位错造成的晶体缺陷继续解理扩展。本次研究基于分子动力学方法,阐述了载荷性质、应变率、频率和方向及环境温度对裂纹扩展的影响,阐述了位错,晶界,晶格相变等晶体行为与裂纹扩展之间的内在关系。同时,揭示裂纹对材料内部能量、体应变等物理量影响的作用规律,归纳得出钛晶体中裂纹的扩展机理,从微观尺度上提高对含裂纹钛材料的力学行为的认识。
【学位授予单位】:长春理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TG146.23

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