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铝裂纹扩展行为的分子动力学模拟

作　者: 严文康
导　师: 刘晓波
学　校: 南昌航空大学
专　业: 机械工程
关键词: 分子动力学 裂纹扩展 孔洞 能量演变
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


铝合金在制造使用过程中，难免会出现微裂纹、孔洞等缺陷，而这些缺陷逐步演变，将会导致材料的失效破坏。因此掌握这种微观缺陷的演变规律，对于材料的正确使用有着积极的指导作用。分子动力学模拟作为计算机模拟中非常重要的一种方法，在许多领域起着至关重要的作用，尤其在描述微观层次的细节方面。根据这种模拟技术，本文分别对初始模型中无孔洞和含孔洞体系的裂纹扩展行为进行了一系列的研究。本文综述了裂纹萌生和扩展以及孔洞演变行为的分子动力学模拟的研究现状，系统的介绍了分子动力学模拟技术的基本原理，并且按照分子动力学模拟的四个步骤，给出了详细的说明。对无孔洞模型和含孔洞模型，都采用速度加载的分子动力学方法研究了其裂纹扩展行为。对无孔洞的模型，绘制了特殊时刻的裂纹扩展图，清楚的观察到了裂纹扩展的变化，裂纹尖端钝化、子裂纹的产生、孔洞的生成及长大过程以及裂纹和孔洞的汇集等。从能量的演变图中详细的说明了整个体系演变的过程。探讨了加载速度、初始裂纹长度、模型大小和初始温度对体系裂纹扩展行为的影响。结果表明：随着加载速度的增大，加剧了原子运动程度，体系完全被拉开的时间也越短；初始裂纹长度越长，原子运动的细节表现越不明显；模型较大或者较小，裂纹扩展的细节很难被观察和裂纹扩展的规律也变得复杂；随着温度的升高，原子在晶格平衡位置上做的热振动程度也越来越大，原子晶格容易发生重组。对含孔洞的模型，详细的说明了特殊时刻的裂纹扩展行为，且用能量演变图进一步解释裂纹扩展的行为。讨论了孔洞大小、加载速度和初始温度对含孔洞模型裂纹扩展行为的影响。发现孔洞越大，体系被拉开的时间越短，孔洞周围原子运动的细节越是不容易显示出来；加载速度越大，在相同的时间内，体系原子运动的细节表现不清楚，体系被拉开的时间明显缩短，拉开后的边缘形貌也更加复杂；初始温度越高，加剧了原子的运动，裂纹的扩展规律和孔洞的演变也更加复杂多变。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 选题依据  9-10
  1.2 分子动力学的发展概况  10-11
  1.3 分子动力学模拟在材料科学中的应用  11-13
  1.4 裂纹萌生和扩展的分子动力学模拟现状  13-15
  1.5 孔洞演变行为的分子动力学模拟现状  15-16
  1.6 本文研究的目的与主要内容  16-17
  1.7 本章小结  17-18
第2章 分 子动力学的基本原理和模拟方法  18-37
  2.1 引言  18-19
  2.2 模型的建立  19-20
  2.3 初始条件的确立  20-25
    2.3.1 边界条件  20-23
    2.3.2 时间步长  23
    2.3.3 初始位置和初始速度  23-24
    2.3.4 模拟的系综  24-25
  2.4 趋于平衡的计算  25-32
    2.4.1 基本方程  26
    2.4.2 模拟的动力学积分算法  26-29
    2.4.3 模拟原子的相互作用势  29-32
  2.5 宏观物理量的提取  32-34
  2.6 分子动力学中各参数单位的统一  34
  2.7 程序的编制  34-36
  2.8 本章小结  36-37
第3章 铝裂纹扩展行为的分子动力学模拟  37-50
  3.1 模型的建立  37-39
  3.2 裂纹扩展的结果与分析  39-43
  3.3 加载速度对裂纹扩展行为的影响  43-44
  3.4 裂纹的长度对裂纹扩展行为的影响  44-46
  3.5 模型的大小对裂纹扩展行为的影响  46-48
  3.6 初始温度对裂纹扩展行为的影响  48-49
  3.7 本章小结  49-50
第4章 含孔洞的铝裂纹扩展行为的分子动力模拟  50-60
  4.1 模型的建立  50-51
  4.2 含孔洞的裂纹扩展的结果与分析  51-55
  4.3 孔洞大小对裂纹扩展行为的影响  55-56
  4.4 加载速度对含预制孔洞的体系裂纹扩展行为的影响  56-58
  4.5 初始温度对含预制孔洞的体系裂纹扩展行为的影响  58-59
  4.6 本章小结  59-60
第5章 全文总结和展望  60-62
  5.1 全文总结  60-61
  5.2 展望  61-62
参考文献  62-66
攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研工作  66-67
致谢  67-68

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 轻有色金属及其合金 > 铝
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