基于分子动力学的单晶金属微裂纹萌生和扩展模拟

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随着纳米科技的到来,人们的注意力逐渐从宏观物体转向小尺度及相应的器件,随着研究的不断深入,迫切需要了解纳米尺度下材料微裂纹的萌生和扩展的微观机理,理论跟实验又存在不同程度的困难,而分子动力学模拟技术恰好可以解决这类难题。建立模型时为了减少由于小数目粒子系统的不平衡性对传统模型进行了改进;势函数采用对偶势的Lennard-Jones势函数和Morse势函数;对各种分子动力学算法的稳定性进行对比,采用Verlet算法求解运动方程;原子的初始速度利用Maxwell-Boltzmann分布来确定;控制系统温度用直接速度标定法来对速度进行标定;采用对比单位提高运算速度,对原子速度处理的时候加入了冷冻原子法,用Verlet列表法计算系综能量和原子间作用力,对运算速度有所提高。采用Visual Basic6.0高级语言,利用面向对象技术的程序设计方法编程,开发了单晶金属微裂纹模拟软件。软件能够完成FCC单晶金属的微裂纹萌生和扩展的模拟。利用开发的软件对单晶金属铜微裂纹进行了模拟,对板边裂纹进行了拉伸和弯曲模拟,模拟时先对模型进行弛豫一段时间,以消除原子表面效应,随着加载步数的增加,模型的原子有的偏离理想晶格位置,模拟过程中观察到裂尖开始有钝化现象,随后有空位形成,当空位增加滑移到一定程度时裂纹开始失稳扩展;对板中心裂纹也进行了拉伸模拟,模拟过程中也可以明确观察到钝化现象,接着是空位形成,裂尖失稳扩展,萌生和扩展过程与板边裂纹相似;对能量和应力变量进行了跟踪分析,并绘制出其随时间变化曲线。模拟结果表明了所开发的软件采用的设计方案和设计方法是可行和正确的。该软件只要修改相应的参数就可以对其他的FCC单晶金属进行微裂纹的萌生和扩展模拟。
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