位错密度梯度结构Cu单晶微柱压缩的三维离散位错动力学模拟
位错密度晶体塑性模型及在微成形模拟中的应用
的金属成形模拟中
上海交通大学工学博士论文答辩
1-5
课题意义及背景
1
晶体塑性模型及积分算法 1
位错密度晶体塑性模型
1
非局部位错密度晶体塑性模型 1
塑性微成形实验不模拟
1
结论不展望
1
有限变形晶体塑性理论 率相关晶体塑性积分算法研究现状 准隐式积分算法 单个单元压缩和剪切测试 等误差图分析 轧制模拟及ODF预测 筒形件拉深模拟及制耳预测 计算效率和稳定性 总结
FEM solver
Yes
1560(B) 1688(T)
8 ABAQUS/Standard
Yes
1602(B) 3079(T)
1
ABAQUS/Explicit
Yes
1602(B) 3079(T)
30 ABAQUS/Explicit
Yes
1602(B) 3079(T)
1
ABAQUS/Explicit
CPU time(s) 15380
当前构型Cauchy应力
2-1
有限变形晶体塑性理论
宏细观应力应变
● 位错沿着原子密排面-密排斱向(滑秱系)滑动 ● FCC晶体有12个滑秱系 ● 每个滑秱系由滑秱面的
法线 和滑秱斱向 组成
位错滑移引起的分切应变张量
上海交通大学工学博士论文答辩
Schmid张量
2-2
有限变形晶体塑性理论
现象学晶体塑性流动模型和硬化模型 ● 塑性功等效原理
隐式算法： Huang, 1991; Kalidindi et al., 1992 优点：无条件稳定，求解精度有保证 缺点：难收敛(无法得到准确的Jacobian矩阵)，计算效率低
显式算法： Grujicic and Batchu,2002; Rossiter et al., 2010. 优点：结构简单，本构斱程计算耗时最少 缺点：条件稳定，易发散，降低模型的整体增量步长，需要大量增量步
基于离散位错动力学的铜晶体材料力学特性研究
摘要近年来，随着航空航天、精密机械等产业的迅猛发展，对微机电系统需求量大幅增加，同时也对微机电系统提出了更高的性能要求。
铜晶体材料被广泛应用在微机电系统中作为基本构件，其尺寸在微米及亚微米尺度。
在该尺度下铜晶体表现出与尺度相关的力学特性，无法使用传统宏观力学进行解释。
因此，为了提高微机电系统性能及可靠度，迫切需要对小尺度铜晶体材料的力学性能开展研究，研究其与尺度相关的力学特性，为微机电系统的设计提供理论及实验基础。
针对小尺度下的材料仿真，离散位错动力学方法在拥有很高计算效率的同时，能分析晶体内部位错运动行为，是一种有效的介观尺度研究方法。
然而，针对小尺度材料测试中常用的微拉伸、纳米压痕两种实验方法，在离散位错动力学层面上对其研究并不完备。
本文中使用自主开发的离散位错动力学软件对这两种典型实验条件进行研究，对进一步了解小尺度铜晶体材料塑性力学特性的内在机理具有积极意义。
本文首先基于2.5D离散位错动力学框架，结合ABAQUS软件的接触算法，使用MATLAB软件及PYTHON语言开发了小尺度下铜晶体离散位错动力学-有限元耦合计算程序。
在该程序的基础上，开发相应的位错初始化模块、云图、曲线后处理模块。
在自主开发的铜晶体单向拉伸离散位错动力学-有限元耦合计算程序的基础上，建立了铜晶体单向拉伸有限元模型。
通过耦合计算，本文分析了铜晶体单向拉伸中的应力分布及内部位错运动机理。
针对铜晶体厚度、取向两方面分别展开研究，揭示了影响铜晶体单向拉伸性能的内在机理。
建立了铜晶体纳米压痕仿真模型，得到了纳米压痕过程中位错行为规律及压痕力-位移曲线。
明确了纳米压痕力-位移曲线与位错增殖速度及平均间距两个因素间的联系，并从位错源密度、初始位错密度两个方面研究其对纳米压痕结果的影响方式。
最后，本文对单晶铜进行纳米压痕实验，得到了单晶铜的力-位移数据。
使用扫描电子显微镜分析压痕周围的表面形貌，使用透射电子显微镜分析压痕周围位错线的分布规律，通过高分辨率透射电镜在原子堆垛层面上观察位错的具体状态，验证了仿真结果的正确性。
纳米多孔γ-TiAl单晶力学性能的分子动力学模拟
纳米多孔γ-TiAl单晶力学性能的分子动力学模拟左迪【摘要】利用分子动力学模拟方法,对多孔γ-TiAl单晶沿[001]晶向拉伸时的力学性能进行了研究,发现温度的增加会降低多孔γ-TiAl单晶的力学性能,屈服应力与杨氏模量均随温度的增加呈现降低的趋势.在多孔γ-TiAl单晶发生屈服后,剪切位错环在孔洞表面形核,导致塑性变形的发生.随着应变的增加,形成具有密排六方结构的双原子层厚的堆垛层错.位错抽取算法计算显示多孔γ-TiAl单晶中的位错均为1/6<112> Shockley不全位错,且随着应变的增加,位错密度呈增加的趋势.【期刊名称】《有色金属加工》【年(卷),期】2017(046)004【总页数】5页(P20-24)【关键词】分子动力学模拟;γ-TiAl单晶;屈服应力;位错【作者】左迪【作者单位】天水师范学院土木工程学院,甘肃天水 741001【正文语种】中文【中图分类】TG146.2从 20 世纪 70 年代以来，轻质的高温结构材料就受到高度重视，而金属间化合物由于其原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键的共存性，使其能够同时兼顾金属的塑性和陶瓷的高温强度[1-3]。
γ-TiAl金属间化合物就是典型代表，其体积质量不到镍基合金的50%，具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700 ℃～1000 ℃，成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域优秀的候选高温结构材料之一，有望用于喷气发动机和涡轮等航空航天、汽车工业的耐高温部件以及超高速飞行器的翼、壳体等，具有重要的工程化应用潜力[4]。
但在现场室温环境时的钛铝合金由于材料自身不均匀、微裂纹或者环境腐蚀等因素影响使得其脆性较大，延展性较小，在拉伸试验过程中延伸率往往不足1%即会断裂，远小于理论值，机械加工非常困难，致使其难以在工厂企业中批量生产[5]。
梯度纳米孪晶Cu的力学性能和变形机制
梯度纳米孪晶Cu在冲击韧性测试中表现优异，其冲击功比传统粗晶Cu 高出约20%。
03
结论
梯度纳米孪晶结构在提高Cu的韧性的同时，对其在冲击载荷下的抗断
裂能力也有所增强。
强度测试
1 2
实验方法
采用拉伸试验机进行强度测试，设定试样尺寸为 1mm×10mm×20mm，以0.5mm/min的速率 进行拉伸，记录屈服强度和抗拉强度。
研究不足与展望
目前对梯度纳米孪晶Cu的力学性能和 变形机制的研究仍停留在实验阶段，缺 乏分子动力学模拟和第一性原理计算等
理论研究的支持。
对于梯度纳米孪晶Cu的制备工艺、微 观结构和力学性能之间的相互影响关系
仍需进一步深入研究。
未来可以探索梯度纳米孪晶Cu在不同 温度、应变速率和应力状态下的力学性 能和变形机制，为实际工程应用提供更
弹性变形
在较低应变下，梯度纳米孪晶Cu 表现出弹性变形行为，其弹性模 量取决于孪晶界的分布和相互作 用。
孪晶演化
初始孪晶
在梯度纳米孪晶Cu中，初始孪晶主 要通过堆垛层错和肖克莱不全位错的 形成而产生。
孪晶扩展
在应变作用下，孪晶扩展主要通过肖 克莱不全位错的连续运动来实现，同 时伴随着孪晶界的迁移。
梯度纳米孪晶Cu的力 学性能和变形机制
汇报人： 2023-11-20
目 录
• 引言 • 梯度纳米孪晶Cu的制备与表征 • 力学性能测试与分析 • 变形机制研究 • 力学性能与变形机制的关系 • 研究结论与展望 • 参考文献
01
引言
研究背景和意义
梯度纳米材料是一种具有梯度结 构的论
梯度纳米孪晶Cu具有优异的力学性能，包括高强度、高韧性和良好的抗疲劳性能。
动力学晶格蒙特卡洛方法模拟Cu薄膜生长
动力学晶格蒙特卡洛方法模拟Cu薄膜生长吴子若;程鑫彬;王占山【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2010(39)1【摘要】利用动力学晶格蒙特卡洛方法模拟了Cu薄膜在Cu(100)面上的三维生长过程。
模型中考虑了四个动力学过程:原子沉积、增原子迁移、双原子迁移和台阶边缘原子迁移,各动力学过程发生的概率由多体势函数确定。
讨论了基底温度、沉积速率及原子覆盖率对Cu原子迁移、成核和表面岛生长等微观生长机制的影响;获得了Cu薄膜的表面形貌图并计算了表面粗糙度。
模拟结果表明,随基底温度升高或沉积速率下降,岛的平均尺寸增大,数目减少,形状更加规则。
低温时,Cu薄膜表现为分形的离散生长,高温时,Cu原子迁移能力增强形成密集的岛。
Cu薄膜表面粗糙度随着基底温度的升高而迅速减小;当基底温度低于某一临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的增大而增大;当基底温度超过临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的变化很小,基本趋于稳定。
【总页数】5页(P62-66)【关键词】薄膜生长;原子迁移;KLMC模拟;沉积速率;基底温度;原子覆盖率;表面粗糙度【作者】吴子若;程鑫彬;王占山【作者单位】同济大学精密光学工程技术研究所【正文语种】中文【中图分类】O484.1【相关文献】1.元胞方法与蒙特卡洛方法相结合的薄膜生长过程模拟∗ [J], 阮聪;孙晓民;宋亦旭2.Zr-Cu薄膜生长及力学性能的分子动力学模拟 [J], 谢璐;安豪杰;秦勤;臧勇3.基于动力学蒙特卡洛方法模拟化学气相沉积生长Cu薄膜的条件（英文） [J], 李朋;杨振雄;赵虎4.Cu表面生长Ag薄膜过程的分子动力学模拟 [J], 孙贺明;白照印;宋海洋;张国香5.动力学蒙特卡洛(KMC)模拟薄膜生长 [J], 周雪飞;吴冲;唐朝云;孔垂岗;邱贝贝;杨云;卢贵武因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
板条裂纹问题的位错模拟解法
板条裂纹问题的位错模拟解法
王钟羡;马丽娜
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2010()1
【摘要】假设沿分叉裂纹各分支和板条边界有某位错分布,利用半平面内分叉裂纹问题的复势函数,将板条分叉裂纹问题转化为半平面内的多分叉裂纹问题处理。
根据板条边界和裂纹面上的应力边界条件,建立以集中位错强度和分布位错密度为未知函数的Cauchy型奇异积分方程,利用半开型积分法则将该奇异积分方程化为代数方程求解。
最后,由位错密度函数得到各裂纹分支端的应力强度因子值。
文中分别给出集中力和分布力作用情况下内分叉和边缘分叉裂纹的3个算例,其极限情况的计算结果与精确解是一致的。
【总页数】5页(P139-143)
【关键词】分叉裂纹;板条;奇异积分方程;应力强度因子;位错
【作者】王钟羡;马丽娜
【作者单位】江苏大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】O346.1
【相关文献】
1.裂纹尖端位错发射与运动的分子动力学模拟 [J], 徐荣鹏;曾祥国;陈华燕;范镜泓
2.裂纹顶端的异号位错和无位错区的象力理论 [J], 龙期威;熊良钺
3.α-Fe纯Ⅰ型裂纹扩展中位错形成过程的三维分子动力学模拟 [J], 王建伟;尚新春;吕国才
4.裂纹尖端塑性区和无位错区的微观模拟 [J], 钱才富;姜忠军;陈平;段成红;崔文勇
5.位错和位错偶沿单─滑移系从裂纹尖端的发射 [J], 钱才富
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
211274798_FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕力学响应的分子动力学模拟★
加载速度
中图分类号:
O3
4
1
文献标识码:
A
/
DO
I:
1
0.
1
6
3
5
5
c
n
k
i.
i
s
s
n
1
0
0
7
9
4
3
2
t
u
t.
2
0
2
3.
0
3.
0
2
0
j.
y
文章编号:
1
0
0
7
9
4
3
2(
2
0
2
3)
0
3
0
5
6
2
0
8
Nano
i
nd
en
t
a
t
i
on Me
chan
i
c
a
lPr
ope
r
t
i
e
so
fFeCoCrNiCuHi
gh
En
t
r
opyAl
l
oy
s:
A Mo
l
e
c
u
l
a
rDynami
c
sS
t
udy
a
a
a,
b
a
a,
b
SUN Yewe
i ,ZHANG Lumi
ng ,MAShe
ng
i ,XIN Ha
o
guo ,ZHANG Tuanwe
(
a.
In
s
t
i
铜剧烈塑性变形微观缺陷演化机理的分子动力学模拟
铜剧烈塑性变形微观缺陷演化机理的分子动力学模拟
近些年来,随着科技的发展,对材料性能的要求越来越高。
而纳米金属材料在越来越多的领域都得到了广泛的应用,正是因为纳米晶体材料具有的特殊力学性质,如晶粒尺寸在纳米级别的材料,它的硬度,强度和延展性等都远远优于普通材料。
如果能够更加清楚地了解金属材料微观缺陷对其性能的影响,就可以通过改变材料的微结构来提高金属的性能。
因此,了解纳米金属材料的力学性质进而熟悉微结构变形机制,对于设计出满足人们需求的应用材料具有重大的意义。
本文从微观尺度出发,运用分子动力学模拟方法,对单晶Cu的剧烈塑性变形过程进行模拟计算,研究材料塑性变形过程中位错的微结构演化机理,并通过可视化软件对该材料不同阶段的微结构模拟过程进行分析。
研究了纳米面心立方金属的变形机制中位错结构的演化,即位错增殖、位错塞积、晶界的运动等等,从而探究其对宏观性能的影响,最后与单晶Ni的模拟结果进行对比。
模拟结果表明:在塑性变形过程中,位错主要以弗兰克—里德增殖源机制进行增殖;单晶Cu和Ni在拉伸阶段,滑移面与滑移方向趋于拉伸轴线方向,在压缩阶段,滑移面逐渐与压力轴线的方向垂直,同时结合铜和镍位错密度的对比发现,材料中出现的晶界越多,位错密度越大;对应力与密度的关系进行分析,得出材料塑性变形时,材料内部必然存在着位错的开动、增殖与消亡,而这些位错的运动最终达到结构细化的目的。
金属材料中位错动力学行为的数值模拟研究
金属材料中位错动力学行为的数值模拟研究金属材料是各种工业领域中最基础的材料之一。
在材料科学领域中，对金属材料中位错动力学行为的研究已经成为一个热门话题。
位错是晶体中的一个特殊的缺陷，它是晶体中的一条线，其周围的晶体结构发生了扭曲，从而导致原子的错位。
位错在各种材料的力学行为中起着至关重要的作用。
金属材料中位错的动力学行为是影响金属的力学性能的一个重要因素。
因此，不断地深化我们对位错动力学行为的研究，对于提高金属材料的力学性能具有非常重要的意义。
位错的动力学行为在过去几十年中一直是材料科学领域中的一个研究热点。
最初，人们主要是通过用透射电镜等成像技术来研究位错的行为。
而现在，随着计算机科学技术的不断发展，越来越多的科学家们开始使用计算机模拟技术研究位错的动力学行为。
这种方法不仅可以实现对复杂的三维结构进行模拟，而且可以掌握到位错行为的更为微观的细节。
位错的动力学行为中，位错滑移是其中的重要过程之一。
如果位错在晶体中进行滑动，那么材料就会发生变形。
位错的滑移通常受到多个因素的影响，比如温度、应力等。
在材料科学领域，人们通常使用分子动力学法、蒙特卡罗法、有限元法等来掌握位错滑移的动力学行为。
分子动力学法是一种基于牛顿力学原理的计算方法。
它可以非常精确地模拟分子之间的相互作用以及其运动方式。
在分子动力学法中，位错被看作是晶体中一连串不断变化的原子。
使用分子动力学法，科学家们可以观察到位错滑移的详细过程，这对于更好地分析位错的滑移机制具有重要作用。
蒙特卡罗法是一种模拟物理过程的方法，可以用于计算位错的滑移过程。
这种方法基于量子力学理论以及统计力学原理，能够模拟材料的温度、压强、化学的变化。
蒙特卡罗法主要是通过对各个原子位置的概率分布进行随机采样来模拟位错的运动。
有限元法是一种数值计算方法，可以分析任意形状的物体在外部力作用下的变形情况。
在使用该方法进行位错滑移的研究时，将晶体内部的位错看作是一个点，通过计算力学变形进行位错滑移的模拟。
位错密度演化模型
位错密度演化模型位错密度演化模型是研究材料结构演化和力学性质变化的重要工具。
位错是晶体中的一种结构缺陷，它类似于原子的错位，常常影响到材料的强度、韧性和塑性等力学性质。
位错密度演化模型的研究可以揭示位错在材料中的分布和演化过程，为改善材料的力学性能和设计新材料提供理论依据。
位错密度演化模型的基本原理是考虑位错的生成、迁移和消失过程。
位错可以通过多种途径生成，如外力加载、热处理、相变等。
当外力作用到材料上时，位错会被引入材料中，从而影响到材料的局部结构。
通过模拟位错的迁移过程，可以研究位错在材料中的运动规律和能量状态，进而预测材料的力学性质。
位错密度演化模型通常基于一系列微观动力学方程，包括位错的运动方程、能量方程和位错密度方程等。
这些方程可以描述位错的运动、相互作用和消失过程。
通过数值方法和计算机模拟，可以解析位错密度演化模型，得到位错密度随时间和空间的分布。
位错密度演化模型的研究对于了解材料力学性质变化的机理非常重要。
通过研究位错密度随时间和空间的演化，可以揭示位错的生成机制和运动规律，进而优化材料的力学性能。
例如，在材料设计中，可以通过调控位错密度的分布，来提高材料的强度和塑性。
同时，位错密度演化模型也可以用于材料的寿命评估和失效预测，有助于提高材料的可靠性和安全性。
位错密度演化模型的研究还可以与其他材料模型相结合，如晶体塑性模型、断裂模型等，来建立更加全面的材料性能预测和设计方法。
通过对不同材料体系的位错密度演化模型的比较和分析，可以揭示不同材料力学性质的本质差异，为材料的选择和设计提供指导。
总之，位错密度演化模型是研究材料结构演化和力学性质变化的重要工具。
通过模拟位错的生成、迁移和消失过程，可以揭示位错在材料中的分布和演化规律，为改善材料的力学性能和设计新材料提供理论依据。
位错密度演化模型的研究对于提高材料的可靠性和安全性，以及优化材料的力学性能具有重要指导意义。