单晶硅及铝预制初裂纹扩展的分子动力学研究

【摘要】： 本论文采用分子动力学方法对单晶Si和单晶Al中Ⅰ型裂纹扩展的原子学过程，以及裂纹扩展中裂尖区结构演化问题进行了模拟计算和分析。 第一部分：分析了单晶硅初裂纹扩展过程中出现的现象和机制。对裂纹前缘方向为[100]，[110]晶向的初裂纹扩展模拟结果表明：低温时裂纹尖端形成新的环状结构，最初形成的新环状结构标志着裂纹进入裂纹陷阱区域，温度逐渐升高后，出现母一子裂纹传播机制。裂纹前缘方向为[111]晶向的初裂纹模拟结果表明：温度升高至300K，低温时裂纹尖端形成的七元环状结构没有消失，微裂纹在Ⅰ型加载作用下产生明显的取向效应，裂纹跳跃至新的裂纹平面，温度逐渐升高后，子裂纹在新的裂纹平面上萌生。对裂纹前缘方向为[210]，[211]晶向的初裂纹扩展模拟结果表明：加载时裂纹尖端的前方某处随机形成微空洞，应力加大时微空洞扩大，微空洞逐渐成长相互联结，最终形成子裂纹，裂纹扩展过程中同样遵循着子母裂纹机制。对裂纹前缘方向为[332]晶向的初裂纹扩展模拟结果表明：母裂纹分裂形成两个子裂纹，并由原先的裂纹平面跳跃至两个新裂纹平面上，裂纹出现了分枝现象。 第二部分：用基于经验势的分子动力学方法，分析了单晶铝初裂纹扩展过程中出现的现象和机制。模拟结果表明：通过观察原子体系的构型演化，可以发现模型加载后，裂纹不是解理扩展，而是裂纹尖端先发射出位错，裂纹尖端处发射出的位错使裂纹尖端出现钝化现象，裂纹尖端原子开始出现无序现象，表现为裂纹尖端原子的空间坐标出现乱序状态，随后裂纹尖端无序现象得到进一步加强，逐渐形成无序区域，在无序区域形成过程中，裂纹尖端原子慢慢偏离理想晶格位置，使裂纹尖端原子不同于初始原子构型，而是在裂纹尖端出现畸变。裂纹扩展驱动力选择了驱使无序区域扩展的方式进行裂纹的扩展。裂纹呈现出台阶状断口，直至最后晶体完全分开。