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纳米金属材料拉伸力学性能的非线性有限元分析

【摘要】:近年来,纳米金属的力学性能研究一直是其研究热点,其中数值计算模拟是研究纳米材料力学性质的一种重要手段。本文采用原子级模拟技术和传统的有限元分析相结合的数值计算方法,研究了纳米晶体材料在单向拉伸状态下的力学行为,并对晶粒尺寸和孔隙率对其本构关系的影响进行了计算模拟。 本文假定纳米晶体材料是以界面非晶相为基体而纳米单晶为夹杂的复合系统,并根据复相材料的微结构特性及变形机制分别推导了晶粒相和界面相的本构模型。其中本论文通过分子动力学理论,采用以局域密度(LDA)近似和二阶动量矩(SMA)近似为基础的多体势函数,模拟了纳米面心立方晶体银晶界的非线性本构关系。 论文根据纳米晶体材料的非线性微结构本构方程建立了相应的有限元模型,并借助有限元自动生成系统FEPG有限元源程序,按照推导出的复合系统各相的微分方程和采用的非线性增量迭代算法编写单元刚度矩阵和算法文件,自行开发设计了一套解决材料非线性和几何非线性的纳米晶体材料的非线性弹性大变形问题的有限元分析数值模拟系统。该系统克服了纳米材料拉伸过程中界面非晶相出现的软化现象,很好的处理了正负刚度混合的问题,模拟了纳米晶体材料从开始加载到晶界软化,再到晶界彻底断裂的从而导致整个复合系统断裂的全过程。 数值模拟结果表明含有纳米相的纳米晶体材料,其晶粒尺寸与力学性能密切相关。同普通金属相比,纳米金属具有较高的强度和较低的延展性。模拟发现随着晶粒尺寸的减小,晶界所占体积百分数的增大,纳米晶体的非线性本构特征越来越明显,并且材料的延伸性也在增强,且延伸率较大的则强度比较低。无污染、全致密的纳米银的在晶粒尺寸分别为2、20、60、100nm时,其断裂强度分别为7.45、7.58、9.14、9.43Gpa,延伸率分别为21.18、14.28、13.64、12.43%。无污染、全致密的纳米铁的延伸率一般要低于8%。 模拟发现纳米材料的致密度是影响强度的重要因素。例如,晶粒尺寸为2nm,孔隙率为25%的纳米晶体银的强度比全致密的相应晶粒尺寸的纳米银降低了43.88%。 由于纳米材料制备技术的局限性和试验手段的限制,不同学者实验测得的数据也有很大的差别。本文的数值模拟结果与其他学者的实验结果定性比较表明,本文所采用的结构模型和模拟方法是可行性的。因此可以说制备出无污染、全致密、晶粒细小均匀的块体才能更好的使数值模拟结果与试验结果进行定量比较。

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