納米金屬材料拉伸力學(xué)性能的非線性有限元分析.pdf

1、近年來(lái),納米金屬的力學(xué)性能研究一直是其研究熱點(diǎn),其中數(shù)值計(jì)算模擬是研究納米材料力學(xué)性質(zhì)的一種重要手段.該文采用原子級(jí)模擬技術(shù)和傳統(tǒng)的有限元分析相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法,研究了納米晶體材料在單向拉伸狀態(tài)下的力學(xué)行為,并對(duì)晶粒尺寸和孔隙率對(duì)其本構(gòu)關(guān)系的影響進(jìn)行了計(jì)算模擬.該文假定納米晶體材料是以界面非晶相為基體而納米單晶為夾雜的復(fù)合系統(tǒng),并根據(jù)復(fù)相材料的微結(jié)構(gòu)特性及變形機(jī)制分別推導(dǎo)了晶粒相和界面相的本構(gòu)模型.其中該論文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)理論,采用以

2、局域密度(LDA)近似和二階動(dòng)量矩(SMA)近似為基礎(chǔ)的多體勢(shì)函數(shù),模擬了納米面心立方晶體銀晶界的非線性本構(gòu)關(guān)系.論文根據(jù)納米晶體材料的非線性微結(jié)構(gòu)本構(gòu)方程建立了相應(yīng)的有限元模型,并借助有限元自動(dòng)生成系統(tǒng)FEPG有限元源程序,按照推導(dǎo)出的復(fù)合系統(tǒng)各相的微分方程和采用的非線性增量迭代算法編寫(xiě)單元?jiǎng)偠染仃嚭退惴ㄎ募?自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套解決材料非線性和幾何非線性的納米晶體材料的非線性彈性大變形問(wèn)題的有限元分析數(shù)值模擬系統(tǒng).該系統(tǒng)克服了納米材料

3、拉伸過(guò)程中界面非晶相出現(xiàn)的軟化現(xiàn)象,很好的處理了正負(fù)剛度混合的問(wèn)題,模擬了納米晶體材料從開(kāi)始加載到晶界軟化,再到晶界徹底斷裂的從而導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)斷裂的全過(guò)程.數(shù)值模擬結(jié)果表明含有納米相的納米晶體材料,其晶粒尺寸與力學(xué)性能密切相關(guān).同普通金屬相比,納米金屬具有較高的強(qiáng)度和較低的延展性.模擬發(fā)現(xiàn)隨著晶粒尺寸的減小,晶界所占體積百分?jǐn)?shù)的增大,納米晶體的非線性本構(gòu)特征越來(lái)越明顯,并且材料的延伸性也在增強(qiáng),且延伸率較大的則強(qiáng)度比較低.無(wú)污染、全

4、致密的納米銀的在晶粒尺寸分別為2、20、60、100nm時(shí),其斷裂強(qiáng)度分別為7.45、7.58、9.14、9.43Gpa,延伸率分別為21.18、14.28、13.64、12.43％.無(wú)污染、全致密的納米鐵的延伸率一般要低于8％.模擬發(fā)現(xiàn)納米材料的致密度是影響強(qiáng)度的重要因素.例如,晶粒尺寸為2nm,孔隙率為25％的納米晶體銀的強(qiáng)度比全致密的相應(yīng)晶粒尺寸的納米銀降低了43.88％.由于納米材料制備技術(shù)的局限性和試驗(yàn)手段的限制,不同學(xué)者實(shí)驗(yàn)