（工程力学专业论文）复合载荷ⅠⅡ下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究.pdf

一 - l 譬 、 l ， 奈 、 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g m i x e d m o d e ( i i i ) c r a c k si nc r y s t a ld i a m o n d ：a m o l e c u l a r d y n a m i c ss t u d y a t h e s i si n e n g i n e e 血gm e c h a n i c s r o n 西u a nd o n g a d v i s e d b y p r o f e s s o rb i l lz h a n g s u b n l i t t e di np a r t i a lf u l f i u m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 j ? 月 ， 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：童墓殖 日期：型2 ，笾：2 2 口 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文采用基于第二代b r c m e r 作用势的分子动力学方法，利用边界层圆盘模型位移加载， 计算分析了单晶金刚石中预制原子裂纹在i i i 复合型载荷下，其裂纹端部原子结构演化：晶格 滑移、位错、键断裂等问题。 第一部分：分析了含( 0 1 0 ) 1 0 0 裂纹的单晶金刚石在i i i 复合型载荷下裂纹起裂、端部原 子结构演化。对加载复合角p ( k 。k ，：劬口) 分别取o 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。、9 0 。，计算了 临界应力强度因子，分析了晶格滑移、位错、键断裂等问题。发现当k - 、k n 逐渐增大至临界 值时，裂纹尖端原子键开始断裂形成新的环状结构，如七元环、五元环等结构，裂纹进入陷阱 区，并扩展；加载复合角的不同，裂纹的扩展和滑移产生的方向随之改变。 第二部分：分析了含( 1 1 0 ) 1 1 0 裂纹的单晶金刚石在i 复合型载荷下裂纹起裂、端部原 子结构演化。对复合角伊分别取0 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。、9 0 。，计算了临界应力强度因子， 分析了晶格滑移、位错、键断裂等问题。发现当尺- 、凰逐渐增大至临界值时，裂纹尖端钝化 促使裂纹张开，裂纹面变宽，并伴随子裂纹产生；裂纹取向不同，其尖端滑移、开裂模式和临 界k 值均不同。 第三部分：比较了含( 0 1 0 ) 1 0 0 裂纹和含( 1 1 0 ) 【l l o 】裂纹的单晶金刚石在i i i 复合型载荷 下的临界应力强度因子，分析了预制原子裂纹晶面、晶向的选取的对单晶金刚石复合型裂纹开 裂的影响。发现含( 0 l o ) 1 0 0 裂纹和含( 1 1 0 ) 【1 1 0 】裂纹的单晶金刚石裂纹开裂时，裂纹尖端原 子具有不同的断裂模式，临界k 值也不相同。 关键词：单晶金刚石，复合型裂纹，边界层圆盘模型，b 删作用势，分子动力学模拟。 复合载荷( 1 i i ) 下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究 a b s t r a c t t h ee v o l 砸o no ft h ea t o l l l i cs 们l c t u 他，l a t t i c es i i p ，d i s l o c a t i 锄db 吼db 豫a l 【i n ge 纪a r o 肌dt h e c r 孤i kt i pi i l 吐l es i n 舀e c r y s t a ld i 缸n o n d ，w e 咒i n ：v e s t i g a t e db yu o fm o l e c u l 缸d 1 ，l 舱m i c ss i i l m l a t i o n b 舔e do nn l es e c o n d 唱即硎i b 他曲盯p o t e m i a l ，谢h e r em i 】【e d - 瑚d e ( i i dd i s p l a c 朋舱n tl o a d i i l gw 舔 a p p l i e db yb 伽l n d a d rl a y e rd i s km o d e l p a r ti ：1 1 l ee v 0 1 l n i o ft h ea t o n l i cs t l l l c t i l r eo f 地c r kt i pi l ln 圮s i l l g i e c 1 驴t a l 击撇n d 诵t l l ( | d 0 1 ) 【1 0 0 】c m c ：k 锄b e d d e dw 鹤i n v e s t i g a t e d ，锄di i im i 】【e d 删) d cd i s p l 孔e 脒m tl o a d i i l gw 私a p p l i e d 0 n l eb o u d a 彤t h ec r i t i c a ls 缸e s si i l t e n s i t yf 如t o rw 舔o b t a i n e d ，锄dl a n i c es l i p ，d i s l o c a t i o n ，b o n d b 陀a k i n ge 纪r 盯ei n v e s t i g a t e db ys e t t i i 培l o a d i n ga i l g l ea so 。，3 0 。，4 5 。，6 0 。a n d9 0 。i tw a s f o m l dt l l a ta t o mb o n d sa r o m l dt l l ec r a c k 卸w e 托b r o k e n ，a n dn e wc a 而1 0 nr i n g sw e 托f o m 舱d t h e c m c ke i l t e 心d 恤仃a p p i i l gl a ：t t i c ea n d p r o p a g a t c dw i l e nk i 弛d k i n c r e 私e dg r a d l l a l l yt 0 l ec r ：i d c a l v a l 鹏s t h ep r o p a g a t i o no fc r k 卸锄dl a 仕i c es l i pa 咒a l lr e l a t e dt ot l l el o a d i l l g 锄g l e s p a n ：n ec v 0 1 u t i o no f 恤a t o i i l i cs 仃u c t 哦o f m ec m c k 卸i i lm es i i l g l e 咐y s 切ld i 锄d 、i m ( 1 l o ) 【1 1 0 】c r ：k 锄1 b e d d e dw 弱i i i v e s t i g a t e d ，锄di i im i x e dm o d ed i s p l e 删i n tl o a d i i l gw 私a p p l i c d o n l eb o u d a r ) lt h ec r i t i c a ls 臼屯s si n t 豇塔i t ) ，f k t o rw 舔o b t a i l l e d 姐dl a t t i c es l i p ，d i s l o c a t i ，b o n d h a k i n g 蹴w 啪i i l v e s t i g a t e db y 缸l gl o a d i i l g 锄百e 雒o 。，3 0 。，4 5 。，6 0 。a n d9 0 。i t 、够 f o u n d l a tc r a c ko p e l l i i l gd u et om ep 勰s i v a 缸o no ft l l ec r a c k6 p ，c r a c kf - a c ew i d c d c o i i p a n i e db y m ec l l i l dc m c l 【sw h 饥k l 孤d k i i 赋：弱e dg r a d u a l l yt 0m e 嘶吐c a l 砌u e s c 眦kc u t t i l l 舻d g es l i p ， 6 a c t i l l _ ；cn 砌e sa n dn l ec r i 石c a l 天? v a l u e s 飘眦d i 任e f n td u et o 也ec r 吣ko r i e n 蜥o n p a n ：1 h e 圮砸d c a ls 讹s si m e 嬲时舱t 0 墙o f e i n _ b e d d e d ( 0 0 1 ) 【1 0 0 】锄d ( 1 1 0 ) 【1 1 0 】啪c l c s i ns i i l g l ec r y s t a ld i 锄0 n dw e 豫c o i n p 删，w h e 佗i i im i ) 【e dm o d ed i s p l 伽【l e ml o a d i n gw e a p p l i e d t h ei i 】- f l u e n c e so fm e 耐既i 雠m 塔o nm ep r o p a g a t i o no fa a c l 【sw e 咒越撇l y z e d nw 弱f 0 吼dt l l a t 觚t u 托毗s 趾dm e 谢t i c a lk v m sw e 他a i l i s o 唧i cf 研恤1 ) 【1 0 0 】锄d ( 1 1 0 ) 【l l o 】c n c l 【s k e yw b r 出：s i i l g kc r y s t a ld i 锄舳d m i ) 【e d m o d e 啪咄b o u n d a r yl a y 盯d i s kn 姒l e l ，b 撒m c r p i 删a l 劬c 石o n m o l u l 盯由，i l a m i c ss 咖l 撕 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 引言1 1 2 断裂的研究进展3 1 2 1 断裂类型4 1 2 2 宏观断裂5 1 2 3 原子断裂5 1 3 金刚石简介7 1 3 1 金刚石的性质7 1 3 2 单晶金刚石的晶格结构和结合性质一8 1 4 论文的研究内容和意义8 第二章基本理论和研究方法1 0 2 1 分子动力学方法：1 0 2 1 1 概j 盎。1 0 2 1 2 周期性边界条件1 2 2 1 3 基本方程和算法1 4 2 1 4 原子间相互作用势1 5 2 1 5 模拟的系综18 2 1 6 分子动力学模拟的基本步骤1 9 2 2 圆盘边界层模型2 0 2 3 断裂准则。2 1 2 3 1 应力强度因子准则( k 准则) 。2 l 2 3 2 裂纹扩展的微观描述2 2 第三章含( 0 l o ) 【1 0 0 】预制初裂纹的单晶金刚石复合断裂2 4 3 1 模型和计算方法2 4 3 1 1 模拟模型2 4 3 1 2 计算方法2 5 3 2 模拟结果与讨论2 5 3 2 1 加载复合角口- o o 2 5 3 2 2 加载复合角曰= 3 0 0 2 9 复合载荷( 1 i i ) 下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究 3 2 3 加载复合角p = 4 5 0 3 4 3 2 4 加载复合角口- 6 0 。3 7 3 2 5 加载复合角p = 9 0 。4 l 3 3 本章小结4 5 第四章含( 1 1 0 ) 1 1 0 】预制初裂纹的单晶金刚石复合断裂4 6 4 1 模拟模型和计算方法。4 6 4 2 模拟结果与讨论4 6 4 2 1 加载复合角口= o o 。4 7 4 2 2 加载复合角口= 3 0 。5 2 4 2 3 加载复合角9 = 4 5 0 5 6 4 2 4 加载复合角口= 6 0 0 5 9 4 2 5 加载复合角口= 9 0 0 6 4 4 3 预制初裂纹晶向对单晶金刚石裂纹扩展的影响。6 7 4 4 本章小结。6 8 第五章总结与展望7 0 5 1 总结7 0 5 2 工作展望7 l 参考文献7 2 墅i 【谢7 6 在学期间的研究成果7 7 q 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 1 1 时间和空间特征尺度示意图2 1 2 裂纹扩展的基本形式4 1 3 固体断裂机理的晶体层次分析示意图5 1 4 单晶金刚石结构图。8 2 1 周期性边界条件1 2 2 2 子动力学模拟的最小像力约束1 3 2 3 原子间的相互作用1 7 2 4 单晶金刚石中共价键的夹角1 8 2 5 圆盘边界层模型2 0 2 6 原子键断裂过程2 2 2 7 裂纹的点阵模型2 3 3 1 模拟模型2 4 3 2 初始模型整体图2 6 3 3 初始模型裂纹尖端放大图2 6 3 4k i - 1 1 3 6m 阮磊的整体模型2 7 3 5k l _ 1 1 3 6 朋砌磊的裂纹尖端放大图2 7 3 6 足l _ 3 7 3 7 4 4 肘p 磊的整体模型2 8 3 7k i = 3 7 3 7 4 4 肘p 口磊的裂纹尖端放大图2 8 3 8k l - 4 0 8 9 6 朋r p 口磊的整体模型2 9 3 9k i _ 加8 9 6 肘p 口磊的裂纹尖端放大图2 9 3 1 0 k l 1 1 5 7 肘p 口磊，k = 6 6 8 肘黝磊的整体模型3 0 3 1 1k l = 1 1 5 7 m p 口磊，k = 6 6 8m p 口磊的裂纹尖端放大图3 0 3 1 2k l = 2 3 1 4 m p 口磊= 1 3 3 6 m p 口磊的整体模型3 l 3 1 3k i = 2 3 1 4 肘忍磊，k n = 1 3 3 6 m p 口鬲的裂纹尖端放大图3 l 3 1 4k l - 2 5 4 5 4 肘p n 磊，置n = 1 4 6 9 6 朋黝磊的整体模型。3 2 3 1 5k i = 2 5 4 5 4 肘黝磊，k = 1 4 6 9 6 m p 口磊的裂纹尖端放大图3 2 3 1 6k l = 2 7 7 6 8m p 口磊= 1 6 0 3 2m p 口磊的整体模型3 3 3 1 7 k i = 2 7 7 6 8 m p 口磊k i i = 1 6 0 3 2 膨p 口磊的裂纹尖端放大图3 3 3 1 8k i = 2 8 9 2 5 m p 口磊k i l - 1 6 7 m p 口磊的整体模型3 4 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 复合载荷( i i i ) 下单品金刚石裂纹的分子动力学研究 3 1 9k l _ 2 8 9 2 5m 阮磊= 1 6 7 朋p 口磊的裂纹尖端放大图3 4 3 2 0k l = 9 4 4 7 肘p 口磊的整体模型。3 5 3 2 1k ii = 9 4 4 7 m p 口磊的裂纹尖端放大图。3 5 3 2 2k i = 鬈- 2 2 6 7 2 8 膨p 口磊的整体模型一3 6 3 2 3k i 爿= 2 2 6 7 2 8m p 口磊的裂纹尖端放大图3 6 3 2 4 足i = k _ 2 5 5 0 6 9m 砌磊的整体模型。3 7 3 2 5k i = 鬈- 2 5 5 0 6 9 m p 口磊的裂纹尖端放大图。3 7 3 2 6 k l = 6 6 8 循口磊n = 1 1 5 7 织口磊的整体模型3 8 3 2 7k l = 6 6 8 m p 口磊k = 1 1 5 7 朋- p 口磊的裂纹尖端放大图3 8 3 2 8k i = 1 3 3 6 肘_ p 口磊k = 2 3 1 4m 砌磊的整体模型。3 9 3 2 9 足l _ 1 3 3 6 m 尸a 磊- 2 3 1 4 肘| 尸口磊的裂纹尖端放大图3 9 3 3 0k l - 1 4 6 9 6 膨p 口磊k n 2 5 4 5 4 肘黝磊的整体模型4 0 3 3 1k l = 1 4 6 9 6 m 阮磊- 2 5 4 5 4 m 尸a 磊的裂纹尖端放大图一4 0 3 3 2k i = 1 7 3 6 8m p 口磊= 3 0 0 8 2 朋翰磊的整体模型。4 1 3 3 3k i - 1 7 3 6 8m 心磊k = 3 0 0 8 2m p 口磊的裂纹尖端放大图。4 l 3 3 4 足n = 1 3 3 6 朋- 尸口磊的遮体模型。4 2 3 3 5 = 1 3 3 6 朋p n 荔的裂纹尖端放大图4 2 3 3 6 鬈= 2 4 7 0 4m 阮磊的整体模型4 3 3 3 7k = 2 4 7 0 4 朋- p 口磊的裂纹尖端放大图4 3 3 3 8k n = 4 2 7 2 膨p n 磊的整体模型4 4 3 3 9 硒= 4 2 7 2 脱黜磊的裂纹尖端放大图4 4 3 4 0 应力强度因子而屑i 石口一加载复合角曲线4 5 4 1 模拟模型4 6 4 2 初始整体模型4 7 4 3 初始裂纹尖端放大图4 7 4 4k i - 2 4 0 4 8 肘- p 口磊的整体模型4 8 4 5k i = 2 4 0 4 8m p 口磊的裂纹尖端放大图4 8 4 6 而- 2 6 7 2 p 口磊的整体模型4 9 4 7 足l - 2 6 7 2 m p 口磊的裂纹尖端放大图4 9 4 8k i - 2 9 3 9 2 膨阮磊的整体模型5 0 4 9k i - 2 9 3 9 2 膨p 口二的裂纹尖端放大图5 0 4 1 0 足l - 3 2 0 6 4 m p 口i 的整体模型5 l ， 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 i 南京航空航天大学硕士学位论文 4 1 1k i - 3 2 o “m p 口磊的裂纹尖端放大图5 l 4 1 2k i - 1 1 5 7m p 口磊= 6 6 8 膨黝磊的整体模型5 2 4 1 3k i - 1 1 5 7 膨阮磊l i - 6 6 8 m p 口磊的裂纹尖端放大图5 2 4 1 4k i = 2 3 1 4 m p 口磊k i i - 1 3 3 6 肘黝磊的整体模型。5 3 4 1 5k i _ 2 3 1 4 彪砌磊u = 1 3 3 6 m p 口磊的裂纹尖端放大图5 3 4 1 6k j - 2 7 7 5 8m 砌磊= 1 6 0 3 2 m 砌磊的整体模型5 4 4 1 7k l = 2 7 7 5 8m 阮磊= 1 6 0 3 2 肘p 口磊的裂纹尖端放大图5 4 4 1 8k i - 2 8 9 2 5m 阮磊五h = 1 6 7 的整体模型m p 口磊5 5 4 1 9 k i _ 2 8 9 2 5 m 砌磊= 1 6 7 肘舶磊的裂纹尖端放大图5 5 4 2 0k i 爿h = 9 4 4 7 膨p 口磊的整体模型5 6 4 2 1k i 号k n = 9 4 4 7 肘- p 口磊的裂纹尖端放大图。5 6 4 2 2k i = k = 1 2 8 9 4 肘m 磊的整体模型5 7 4 2 3k i = 鬈= 1 2 8 9 4 肘p 口磊的裂纹尖端放大图5 7 4 2 4k i = k = l8 3 4 lm 阮磊的整体模型5 8 4 2 5k i = 鬈= 1 8 3 4 1m p 口磊的裂纹尖端放大图5 8 4 2 6k l = 鬈= 2 6 1 1 9 8 肘p 口磊的整体模型。5 9 4 2 7k l = = 2 6 1 1 9 8 m p 口磊的裂纹尖端放大图。5 9 4 2 8k i = 6 6 8 肘| 尸口磊= 1 1 5 7 m 砌磊的整体模型6 0 4 2 9k l = 6 6 8 朋p 口磊= 1 1 5 7m p 口磊的裂纹尖端放大图6 0 4 3 0 k i = 1 3 3 6 织口磊k - 2 3 1 4 织口磊的整体模型。6 l 4 3 1k i = 1 3 3 6 删吻磊k n - 2 3 1 4 朋- p 口磊的裂纹尖端放大图6 1 4 3 2k j _ 2 2 o “肘| p 口磊= 3 8 1 8 l 肘| p 口磊的整体模型。6 2 4 3 3 足l _ 2 2 0 4 4 肘心磊= 38 - 1 8 l 肘| p 口磊的裂纹尖端放大图6 2 4 3 4k l = 2 2 7 1 2 m p 口磊n = 3 9 3 3 8 肘p 口磊的整体模型。6 3 4 3 5k i = 2 2 7 1 2m 砌磊k n = 3 9 3 3 8 胞p 口磊的裂纹尖端放大图。6 3 4 3 6k n = 2 6 7 2m p 口磊的整体模型“ 4 3 7 = 2 6 7 2 m p 口磊的裂纹尖端放大图6 4 4 3 8 = 5 3 4 4 肘- p 口磊的整体模型6 5 4 3 9 足= 5 3 4 4 肘砌磊的裂纹尖端放大图6 5 4 4 0p 从0 0 到6 0 。的临界等效应力强度因子r 。f f 曲线6 6 4 4 1 应力强度因子k i _ 梳，f 。旷一加载角曲线6 7 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 复合载荷( i i i ) 下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究 表2 1b r e 彻脚作用势的参数值1 8 表3 1p 取不同角度时的临界应力强度因子4 5 表4 1 乡取不同角度时含( 1 1 0 ) 【1 1 0 】裂纹的单晶金刚石临界应力强度因子。6 6 表4 2 预制初裂纹晶向对裂纹扩展影响的比较6 8 南京航空航天大学硕士学位论文 原子间的结合能 能量的排斥部分 键级函数 e作用在原子上的力 原子i j ，k 的夹角 位势截断距离 匕( )原子间的吸引力 足平衡常数 硌 等效临界应力强度因子 k ，i 型裂纹应力强度因子 职i 型远场应力强度因子 仃，f 加载应力 盯。广远场加载应力 注释表 原子质量 原子的坐标 能量的吸引部分 总势能 体系的平均势能 原子间的排斥力 势阱深度 位移分量 i i 型远场应力强度因子 i i 型裂纹应力强度因子 泊松比 裂纹长度 临界状态的应力 嘞， ， 竹巧瓦一。哪如吩砑翰y 口 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 晶体是原子、离子或分子按照一定的周期、在空间排列形成具有规则晶格的材料。晶体的 理想强度和塑性变形与晶格原子键强弱、原子滑移位错等密切关联。因此，直接从原子尺度上 对晶体材料的微观行为进行研究显得非常有必要【i 】，特别是许多与原子有关的微观细节，在实 际实验中无法获得，而在计算机模拟中可以方便的得到【2 j 。 最近，材料研究的主流正在从以结构材料为主体转向以功能材料为中心的新材料研究【3 】。 一般对新材料的研究开发需要投入大量的资金和时间，为了促进新材料的开发，有必要灵活高 效地发挥计算机的作用。若利用计算机进行模拟实验，对计算机调整输入参数就可实现改变实 验条件和物质组分的目的，所以采用高可靠性的计算，可大幅度节约研究开发费用和时间。 计算机的出现促使现代数值计算方法的发展，而计算机技术和计算方法的发展，使得用传 统的方法不能解决的问题得以解决。而数值预测方法在材料科学与工程领域所取得的进步，近 年来已发展起来一个新兴的、令人激动的跨学科分支，也就是通常所说的“计算材料学”【3 】， 它是综合材料科学、物理学、计算机科学、数学、化学以及机械工程等学科而发展起来。例如 材料物理领域，在原子尺度上利用分子动力学和蒙特卡罗方法关于晶格及其缺陷动力学的模拟 研究；而机械工程领域与材料相关的关于大尺度结构问题的模拟，是采用有限元方法平均本构 定律包含的微结构信息。经典范畴的材料科学是在介观尺度上关于晶格缺陷及其相互作用的研 究，在介观尺度上进行模拟预测有很大的挑战性，因此对此需要跨越更大的时间和空间尺度， 并且还要对复杂多体相互作用问题进行合理的描述和解释。为实现这个目的，人们提出各式各 样的新思想，使我们能够在原子分子尺度乃至宏观尺度上，采用离散化方法处理多个独立晶格 缺陷的相互作用问题。计算物理学是计算材料科学体系中的一个子系统，其主要是在分子和原 子层面上对材料的性质进行研究【4 】。 复合载荷( i i i ) 下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究 单l o 兀 中l p 的 腰 子1 0 数 目l 伊 搠啪姗 所考察单元线度 ( a ) 特 征 过 程 乒芦 m w琊 5 时间标度 ( b ) 图1 1 时间和空间特征尺度示意图 ( a ) 考查单元线度与所含原子数目的关系 ( b ) 典型模拟问题对应的特征时间尺度 材料是人类生产和生活的物质基础，是人类进步的里程碑，对国防建设和国民经济建设起 着异常重要的作用。新材料是高新技术的基础和先导，信息技术、生物技术和新材料研究己成 为2 1 世纪最重要、最具有发展潜力的领域。现代材料科学是以经验和实践为基础的科学。人们 在长期的实践过程中逐渐认识到材料所具有的性质，比如说材料力学性质、热学性质、电学及 磁学性质，并不是只依赖于材料的化学组分，而是很大程度上还取决于材料本身所具有的微结 构。正是因为如此，人们常把材料的“微结构研究”当成现代“材料研究”的同义词。 根据哈阿森( h a 嬲s 明，1 9 8 4 年) 的定义，所谓“微结构”是指所有热力学非平衡态的晶格缺 陷在空间分布的集合；其空间尺寸可以从零点几纳米( 例如非平衡态的杂质原子) 到数米量级( 例 如样品的表面情况) ，所对应的时间尺度可以从p s ( 原子动力学过程) 到年( 例如蠕变、疲劳及腐蚀 过程) 。定量地弄清楚材料的宏观性质与微观结构的之间的关系，一直都是材料科学的重要研究 目标。要实现这一目标，必须确定和描述对材料宏观性质有重要影响的晶格缺陷，以及晶格缺 陷的静态和动态特征。图1 1 给出了不同晶格缺陷所确定的微结构体系与其特征尺度之间的对 应关系。 从物理定义上看，我们可以把不同层次的微结构模型分为纳观、微观、介观和宏观等系统。 这里所说的“纳观”指的是原子层次，“微观”对应小于晶粒尺寸的晶格缺陷系综，“介观” 对应于晶粒尺寸大小的晶格缺陷系综，而“宏观”对应于试样的宏观几何尺寸。由于微结构的 组分在空间和时间上分布范围很大，加之品格缺陷之间相互作用的复杂性，要从物理上量化地 预言微结构的演化与微结构性质之间的关系，越来越显示出采用各种模型和模拟方法的必要性。 尤其对于不能给出严格解析解或不易用实验进行研究的问题，应用模型和模拟更为重要。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 而且，对于实际工程方面的有关问题，应用数值近似方法进行预测计算，可以有效地减少在优 化材料和设计新工艺方面所必须进行的大量实验，材料模拟及材料制备工艺的进步，极大地促 进了新产品的优化和发展。目前，计算材料发展面临的机遇和挑战是：处理复杂问题能力增强， 理论计算与实验相结合；处理电子关联效应的理论方法有望取得进步；对于材料动力学特性研 究，可以覆盖从原子尺度到介观尺度范围：可望实现各种材料的线性和非线性光学性质的计算； 从电子结构计算中可获得原子间相互作用的唯象势。计算材料发展的一个趋势是：紧密结合实际 及对测试环境的优化，做到在虚拟环境下，材料的计算设计与高技术材料及元件的制造，成型 过程模拟与产品设计实现集成，从计算方法上，强调进行跨层次的计算和模拟。现代材料科学 技术的发展潮流，已将材料理论设计与计算推上了日程，我们有理由相信在知识经济为主导的 2 1 世纪中，我国材料科学技术领域要实现创新，无疑应将计算机模拟的材料设计放在应有的位 置上。 1 2 断裂的研究进展 断裂是材料或构件最危险的失效形式，在很多情况下可能造成灾难性的后果。因此研究材 料或构件的断裂机理及规律，控制和减少断裂事故的发生一直是工程技术人员和材料科学工作 者的重要课题之一。由此诞生的断裂力学是研究含裂纹的物体在载荷的作用下裂纹扩展规律的 一门学科。材料的断裂是一个很复杂的过程，受很多因素，如材料本身的性质，环境因素，工 作应力状态，构件的形状及尺寸，材料的结构及缺陷的控制，常是多种因素综合作用的结果， 这使得对断裂过程控制的难度增大【5 1 。例如材料的实际断裂强度远远低于其理论预测强度。以 纯铁为例，纯铁的理论断裂强度为4 0 0 0 m n i n 2 ，而实际抗拉强度却只有2 5 0m n ，m 2 ，只相当于 理论强度的约l 1 6 0 。材料的实际强度远低于理论强度是因为材料中存在着大量缺陷，不是理想 的完整状态。根据几何形态的特点，缺陷可分为三类：点缺陷( 如空位、间隙原子、替位原子) 、 线缺陷( 如位错) 和面缺陷( 如堆垛层错、晶界和相界) 。这些缺陷的产生与发展、运动与相互作用， 以至于合成或消失，在晶体的范性与强度，扩散以及其他的结构敏感性问题中起了重要作用。 点缺陷的存在对材料产生两方面的影响：一是改变晶体的内能或是增加晶体的无序程度，使体 系的熵增加。点缺陷的运动是以扩散的方式进行的，宏观的扩散现象是以微观的原子迁移为基 础。位错是一种具有特殊结构的品格缺陷，对晶体的生长、相变、扩散、范性形变、断裂以及 其他物理化学性质有重要影响。晶界是多晶体材料中的另一类重要缺陷，晶界处原子的排列与 晶内不同，且能量较高。晶界对金属材料的强度、抗氧化性能、抗腐蚀性能以及相变都有重要 的作用，特别是在细晶粒材料中，晶界更是起着非常重要的作用。上述三类缺陷是微观缺陷。 此外，材料中还存在着宏观缺陷，如裂纹、空穴等。由于材料中存在微裂纹，且在一定条件下 发生扩展，最终会导致材料断裂，可能造成严重的，甚至灾难性的后果。因此对微裂纹扩展的 3 复合载荷( i i i ) 下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究 研究一直是断裂问题研究的传统重点。 1 2 1 断裂类型 在断裂力学中，所谓裂纹含有更为广泛的意义，除了物体中因开裂而产生的裂纹，还包括 材料冶炼过程中的夹渣、气孔、加工过程中引起的刀痕、刻槽等。按裂纹存在的几何特性，可 把裂纹分为穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹。如果一个裂纹贯穿整个构件厚度，则称为穿透裂 纹，也可以称为贯穿裂纹；若裂纹位于构件的表面或裂纹的深度与构件的厚度相比较小，则称 为表面裂纹；若裂纹处于构件内部，在表面上看不到开裂的痕迹，这种裂纹称为深埋裂纹。裂 纹还按其受力及裂纹扩展形式分为三种类型，即i 、i 型，见图1 2 ，i 型裂纹即为张开型 裂纹，拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹上下表面沿作用力的方向张开，裂纹沿裂纹面向前扩展； i i 型裂纹即为滑开型裂纹，其特征为裂纹的扩展受切应力控制，切应力平行作用于裂纹面而且 垂直于裂纹线，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展；i i i 型裂纹即为撕开型裂纹，在平行于裂纹面与裂 纹前沿线方向平行的剪应力的作用下，裂纹面产生沿裂纹面的撕开扩展【6 】。 珍毋二谚j 白目审 口 ( 1 ) ( o 由于材料本身的特性以及所处环境和条件的不同，材料的断裂表现为不同的形态。关于断 裂的分类有两种方法嘲，一种是晶体学分类，即把裂纹分为解理断裂和滑移断裂m ( 图1 3 ) 。 金属在一定条件下，例如在低温下，当应力达到一定数值时，快速沿一定的结晶学平面发生断 裂，断裂面平滑而光亮，这种断裂称为解理断裂。解理断裂通常是由于垂直于解理面的正应力 的作用破坏了晶体原子间的结合力而引起的，一般没有显著塑性变形。金属在另外一些条件下， 由于受到剪应力的作用破坏了晶体原子间的结合力而引起断裂，称为滑移断裂。因为断裂前， 晶格发生明显的滑移，经历了显著的塑性形变，断口是灰暗的、鹅毛状的和纤维状形貌。另一 种分类是工程学分类，即把断裂分为脆性断裂和韧性断裂。延伸率艿 5 的韧性材料的断裂称为韧性断裂。由于材料的脆性断裂带来的破坏 是突然的和灾难性的，所以人们一直很重视研究材料的韧脆转变判据，希望通过研究得到材料 发生韧脆转变的条件，从而在不改变材料原有性质的基础上，通过改变条件及材料的成分达到 既保证材料具有一定的强度，又具有良好的韧性的目的。 豳 ili一- - ( a ) ( b )( c ) 图1 3 固体断裂机理的晶体层次分析示意图 ( a ) 晶体点阵( b ) 解离断裂( c ) 滑移断裂 1 2 2 宏观断裂 以往对固体断裂的研究体现为宏观和微观两方面并行不悖的探讨。宏观研究在文献上称之 为断裂力学，由g r i 伍t l l 【8 】所开创，并经i r v l ，i i l 发展而形成线弹性断裂力学( l e f m ) 的构架。在著 名固体力学学家黜c e 和h u t c l l i i l s 彻等的努力下，弹塑性断裂力学也趋于完成。微观研究称之为 断裂物理，它渊源久远，起步于理论断裂强度的研究。由于断裂物理早期研究未曾致力于与宏 观力学氛围的定量连接，所以一度进展不及断裂力学迅速。断裂力学的发展在近年来出现了宏 观至细观嗍，再由细观至纳观1 q 的势头。断裂力学与断裂物理相结合形成的宏微观断裂力学， 已成为跨世纪学科发展的趋势。宏微观断裂力学有着广阔的工程应用前景。其根据在于：微细 结构的引入使得宏微观断裂理论能适应更多的力学、物理、化学和材料破坏过程。科学技术的 发展、科学意识的深化将使工程师在未来更加依赖具有宏微观结合特征的力学理论。宏观断裂 理论将随工程技术发展的多样性而渐趋完善，而宏微观断裂力学的发展使破译种种断裂过程成 为可能。计算机技术的发展促进了宏微观断裂力学思想实施应用于产生技术，断裂力学的宏微 观理论将具有更为广阔的工程应用前景。 1 2 3 原子断裂 近年来，随着计算机处理速度的迅速提高和计算机技术的不断发展，人们用计算机来模拟 材料的各种行为成为可能，且计算机有实验所不具备的优点，可以比较容易的设定和改变材料 所处的条件，通过模拟计算对材料性能实验和设计起一定的指导作用，计算机模拟已逐渐成为 探索断裂问题微观本质的有效方法。 5 复合载荷( i i i ) 下单晶金刚石裂纹的分子动力学研究 鼬l a pj ，s i 蹦池虹k 用分子动力学模拟了矗：c 的c u 、a g 、a u 、n i 、p d 、p t 晶体在i 型和 型加载情况下，温度为o k 时裂尖位错形核问题【l ，原子间相互作用势采用的是e 舢讧势。位 错形核时，在i 型加载情况下，模拟所得临界应力强度因子k - ，与鼬c e 的连续介质预言符合 的很好；在型加载情况下，除了p t ，其他材料符合的都较好。m e l l lm 等人用m 也紧束缚方 法计算了广义堆垛层错能和f c c 金属砧、c u 、r h 、p d 、a g 、l r 、p t 、a m 和p b 中的恕c e 韧性判 据【1 2 l 。这种方法对所有类型的金属都很适用，例如简单金属、贵金属和过渡金属。l u g ，o 吣s i s 等人用不完全离散的变化的广义p - n 模型研究了铝中位错的性质【”】。p - n 模型假设晶体由被滑 移面隔开的两个半块晶体组成，两个半晶体内部仍然简