基于准连续介质方法的层合单晶结构的力学行为分析
  • 【摘要】

    随着科学技术的迅速发展,要求人们不断研制更小巧方便的产品,纳米技术应运而生.纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的注意.如强度、硬度、低温超塑性等.而这些特殊的性能又与材料内部结构及变形机制密切相关.当前不受材料、技术等硬性条件限制的计算机模拟被广泛采用,如用限元(FEM)、分子动力学(MD)等相关数值方法.但这些方法受计算时间和计算效率等的影响较大,因此本文采用多尺度方法中的一种即准连续介质方... 展开>>随着科学技术的迅速发展,要求人们不断研制更小巧方便的产品,纳米技术应运而生.纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的注意.如强度、硬度、低温超塑性等.而这些特殊的性能又与材料内部结构及变形机制密切相关.当前不受材料、技术等硬性条件限制的计算机模拟被广泛采用,如用限元(FEM)、分子动力学(MD)等相关数值方法.但这些方法受计算时间和计算效率等的影响较大,因此本文采用多尺度方法中的一种即准连续介质方法(QC)来研究纳米单晶层合块体和纳米单晶层合梁的力学行为.多尺度准连续介质法(QC)是一类基于Cauchy-Born准则、有限元(FEM)和分子静力学(Lattice Statics)的无缝结合的多尺度方法,它是目前应用最广泛的多尺度方法之一.本文采用准连续介质方法(QC)对材料受剪切作用或压头作用变形过程中的微观塑性过程进行详细的分析,讨论了多种晶界条件下晶体的位错核形成和破坏机理,及不同材料间界面在各种情况下的破坏机制.论文主要内容包括:1. 对FCC金属Al,Ni,Cu孪晶晶界及其晶界上各种缺陷不同状况时受剪切作用的研究,得到其应力应变曲线,结合其变形期间的原子结构图,分析其变形机制;结果表明在剪切作用下,块体材料中缺陷的位置越靠右,初始塑性时的临界剪切载荷越大;台阶在块体材料中的高度对外加载荷影响较小.横向体积改变对块体影响较大,尺寸效应对材料影响明显,材料体积越大,强度越高.纵向体积改变对块体影响较小.逐渐改变FCC金属材料块体中缺陷的角度,在 和 附近临界剪切载荷应力值最高,强度最大;在中间范围内临界剪切载荷应力值较低,强度较小.三角形缺陷晶界时发现位错由其左边倾斜边界发射后,运动到三角形右边时受到晶界的阻碍,导致材料受到强化.并且位错发射及运动过程同时伴随孪晶晶界发生迁移.其中台阶缺陷的高度为5倍高时缺陷处形成一大角度不对称倾斜晶界,在该晶界为 ,形成明显的周期性晶胞.2. 对不同种金属Al和Cu之间晶界及晶界上缺陷的不同状况受剪切作用的研究;研究表明不同种FCC金属构成的孪晶,其产生的晶界处会生成一系列有规律排列的失配位错.失配位错对位错滑动有阻碍作用,因而强化了材料.在不同种FCC金属构成的孪晶出也发现了晶界迁移现象且滑动位错均在刚度较低的材料块体内发射.3. 对Al和Cu构成的层合梁在压头作用下力学特性的研究;研究表明不同金属材料构成的孪晶梁中沿晶界方向分布着一系列有规律的失配位错.失配位错一方面强化材料强度;另一方面失配位错削弱了上下晶粒间的结合力,并且易于形成各种缺陷,从而使得界面间易于加载,强度降低.梁的强度与梁中金属的上下属性有关.Cu/Al孪晶梁的强度明显高于Al/Cu孪晶梁,可以认为在压头载荷下,硬度较高的Cu强化了Al.且梁的两端部位较容易发射位错.4. 双层孪晶及有缺陷存在的情况下的孪晶层合梁在压头作用下力学特性的研究;研究表明双层孪晶时梁的强度较高,在有缺陷存在的梁的模型中,缺陷的位置越接近梁的中部,梁的强度越大;缺陷的位置越接近梁的顶部,梁的强度越大. 收起<<

  • 【作者】

    陈蓉 

  • 【学科专业】

    力学

  • 【授予学位】

    硕士

  • 【授予单位】

    西安交通大学

  • 【导师姓名】

    申胜平

  • 【学位年度】

    2010

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    孪晶%准连续介质方法%层合结构%界面