利用lammps模拟不同预制裂纹对单晶铝的力学性能的影响

本文摘要：（由ai生成）
本文采用LAMMPS模拟和Ovito可视化分析，研究了单晶铝在带有预制初始裂纹的模型下的裂纹扩展行为。发现不同裂纹形态对单晶铝的屈服应力影响不显著，但对杨氏模量和裂纹扩展宽度有显著影响。裂纹形态影响裂纹扩展速率和宽度，应力集中现象主要集中在裂纹四周。研究揭示了裂纹扩展过程中应力分布的普遍规律，为探索材料微观变形机理提供了可能。

关键词：lammps模拟，裂纹扩展，拉伸，单晶铝，ovito

随着纳米技术的发展，人们的注意力逐渐从宏观物体转向微观物体。由于纳米晶体金属及合金材料具有优越的物理、化学、力学特性，越来越受到人们的重 视，但是材料的缺陷严重影响着人们的安全，所以研究裂纹的扩展机制成为一项重要的研究课题。由于裂纹扩展在原子尺度上进行，目前传统的宏观连续介质力学已经无法满足材料微观尺度变形机理的研究。近几十年来，分子动力学方法作为一种计算机模拟技术，解决了由大量原子组成的系统动力学问题，它能够揭示在微观尺度下材料的变形和断裂的实质过程。尤其近几年来，计算机的飞速发展也为研究裂纹扩展提供了可能。

为了深入研究单晶铝在裂纹存在时的行为，建立了两种三维单晶铝带有预制初始裂纹的模型。这两种模型是基于单晶铝的严格面心立方晶格结构设计的，其中晶格常数a被设定为0.405 nm，这是铝在室温下的典型晶格尺寸。采用可视化分析处理软件ovito对编程得到的原子坐标数据，具体模型如图a、b所示：

图(a)和图(b)分别为带有不同裂纹的单晶铝初始模型，使用颜色将模型简单分区，在黄色 区域加载Z方向正向载荷拉伸，考虑拉伸过程中的裂纹扩展情况。两种模型的大小、尺寸相同，使用相同的EAM势函数进行单向载荷加载，得到的应力应变曲线、杨氏模量及屈服应力如图所示：

首先，图(c)和图(D)分别展示了基于图(a)和图(b)模型的应力-应变曲线。这两条曲线直观地反映了材料在受到外力作用下的力学响应。从应力-应变曲线中我们可以看出，尽管两种模型具有不同的初始裂纹形态，但它们对单晶铝的屈服应力影响并不显著。这意味着在裂纹扩展之前，材料的弹性变形阶段和屈服点附近的力学行为是相似的，裂纹形态并不是决定屈服应力的主要因素。然而，当目光转向杨氏模量这一参数时，情况有所不同。杨氏模量是描述材料在弹性阶段对力的响应程度的物理量，它反映了材料抵抗弹性变形的能力。从图(D)中我们可以观察到，对于图(b)所示的模型，其缺陷形态（即特定的初始裂纹形态）导致了杨氏模量的相对增大。这表明在这种裂纹形态下，材料在弹性阶段对力的响应更为敏感，需要更大的力才能使材料发生相同的弹性变形。

Ovito可视化图：

在单晶铝材料的裂纹扩展研究中，不同的裂纹形态在相同的势函数和加载速率下会展现出显著的差异。这些差异不仅影响裂纹扩展的速率，还直接关系到裂纹扩展的宽度，这在材料的力学性能和寿命评估中具有重要意义。在拉伸过程中，当单晶铝受到外力作用时，裂纹会开始扩展。在这个过程中，裂纹的扩展宽度是衡量裂纹扩展程度的一个重要指标。在相同的应变条件下，即材料受到相同程度的拉伸变形时，不同的裂纹形态会导致裂纹扩展宽度的明显不同。图(e)中的裂纹在拉伸过程中展现出了较大的扩展宽度d1，这意味着裂纹的扩展更为迅速和显著。这可能是由于图(e)中的裂纹形态更容易在拉伸过程中形成应力集中，从而促进裂纹的扩展。相比之下，图(f)中的裂纹在相同应变下的扩展宽度d2较小，这表明裂纹的扩展相对较慢，或者裂纹的扩展受到了某种程度的抑制。

图(g)和图(h)分别为图(a)和(b)在拉伸载荷作用下的原子应力集中示意图，值得注意的是，尽管预裂纹在图(a)和图(b)中的建立方式有所不同，但两者在拉伸载荷下的原子应力集中现象都呈现出相似的模式。具体来说，无论是哪种预裂纹模型，应力集中的区域都主要集中在裂纹的四周。这一发现揭示了裂纹扩展过程中应力分布的一个普遍规律，也表明两种建立方式并不影响模拟的准确性且值得探索其微观变形机理。