从微观尺度探究固体开裂：分子动力学模拟固体失效和开裂

8月前浏览9075

文一：

硅脆性断裂的分子动力学模拟

摘要：

利用改进的嵌入原子法势，用分子动力学方法模拟了硅中的脆性断裂。模拟产生的裂纹扩展速度与之前在大范围断裂能上的实验结果一致。发现动态断裂韧性等于产生表面和晶格缺陷所消耗的能量，这与理论预测一致。动态断裂韧性约为静态应变能释放率的1＝3，这导致极限裂纹速度为瑞利波速度的2＝3。

图：Js 13:1 J=m2的H 147 a硅模型中裂纹扩展的细节。

图：（a） H147A模型中瑞利波速（cR）随静态能量释放率（Js）的变化。（b）作为Js和模型高度H 239 a（开圆）、H 147 a（全圆）和H 112 a（全三角形）的函数的归一化裂纹速度（v=cR），与Hauch等人实验结果进行比较。实线是Jd20的连续预测。

文二：

分子动力学在结构断裂与失效分析中的应用综述

摘要：

随着海洋资源的不断勘探，海洋结构从近海逐渐应用到深远海域，海洋结构的安全性和可靠性越来越重要。海洋结构的断裂和失效是最常见的结构损伤，同时发展了大量的数值计算技术来研究海洋结构的失效机制和健康监测。本文旨在报道从宏观、介观到微观尺度的结构失效分析的数值方法，包括宏观连续体、晶格玻尔兹曼和分子动力学的方法。综述了宏观、中尺度和微观三个尺度的基本理论和最新进展，提出了未来的发展方向。对结构失效分析最新成果的讨论，不仅将加深对海洋环境中固液耦合作用下结构失效机理的理解，而且将为该研究领域的工程师和研究人员提供必要的指导。

图：在(a)百叶窗微通道和(b)多喉道长微通道中使用 LBM 进行流体流量计算。

图：非键合电位和键合电位

图：海洋结构的多尺度模拟

文三：

基于分子动力学模拟的铝晶粒间断裂过程内聚区表征

摘要：

从原子分子动力学（MD）模拟中提取了一种牵引-位移关系，该关系可以嵌入晶间断裂微观尺度问题的内聚区模型中。建立了稳态条件下裂纹扩展的MD模型，以分析铝中沿S99[110]对称倾斜晶界的晶间断裂。在静水拉伸载荷下，模拟揭示了裂纹沿晶界在两个相反方向上的不对称扩展。在一个方向上，裂纹通过解理以脆性方式传播，位错很少或没有发射，而在另一个方向，裂纹通过变形孪晶机制以韧性传播。这种行为与裂纹尖端解理与位错钝化转变的Rice准则一致。孪晶对位错滑移的偏好与Tadmor和Hai准则的预测一致。与有限元计算的比较表明，虽然在给定的模型边界条件下，脆性裂纹尖端周围的应力场遵循预期的弹性解，但孪晶裂纹尖端周围应力场具有较强的塑性贡献。通过定义内聚区体积单元（原子模拟连续体内聚区模型单元），重新计算MD模拟的结果，以获得平均连续体牵引-位移关系，表示韧性和脆性脱粘情况下沿晶界界面特征长度的粘结区相互作用

图：本文解释了裂纹萌生前分子动力学（MD）系统的初始原子快照，代表了模拟设置。尺寸单位为纳米。晶界（GBs）显示为分离晶体I和II以及吸收层I和II的晶相的暗原子的平行线。

图：在MD系统中传播的裂纹的MD快照，如图所示。1，在四种不同的初始静水应力下预应力：s¼3:5（a）、3.75（b）、4.0（c）和4.25GPa（d）。如图6所示，2，CNA用于识别处于不同晶体状态的原子：fcc（灰色）、hcp（红色）和非晶体原子（蓝色）。

缺失超过三分之一近邻的原子被识别为表面原子（绿色）。因此，图中显示了许多不同的地层，如下所示：a-GB界面；B-孪晶边界；部分位错或孪晶位错的C核；D-裂纹尖端的纳米空隙；E-滑移位错；F-GB位错；和Q-二次滑移。

图：一系列快照监测了在4.0GPa静水载荷下预应力MD系统中x裂纹尖端对称变形孪晶的发展。快照是在裂纹萌生的不同时间拍摄的，t以ps为单位。长度尺度以Al的晶格常数为单位，a0¼0:405nm。如图5所示，小点表示fcc原子；非晶体原子显示为黑色，而hcp和表面原子显示为灰色。地层A、B、C和Q对应于图5所示的类型。

文四：

单晶和纳米晶锡层裂断裂的分子动力学研究

摘要：

低熔点韧性金属的散裂断裂是动态断裂的一个重要科学问题。在13.5–61.0 GPa的冲击压力下，使用非平衡分子动力学对单晶（SC）和纳米晶体（NC）锡进行了经典层裂和微层裂模拟。冲击波速度对SC Sn中的波形演变没有影响，但对NC Sn中没有影响。在NC-Sn的经典层裂中，应力波的前沿宽度主要受晶界滑动的影响。原子轨道技术首次被引入，以非常有效地再现空隙生长和聚结的进化过程。在经典层裂中，SC和NC-Sn的空穴演化行为的差异主要反映在成核位置、空间分布和生长区，而它们的演化行为在微观层裂中是共同的。在NC模型中，对于经典的层裂，孔隙大多在晶界成核并沿晶界生长，导致晶间断裂；对于微观层裂，孔隙在晶界和晶粒内部成核，导致晶间、晶内和穿晶断裂。此外，在早期成核和生长阶段，空隙体积分数遵循双线性上升，临界转变点从根本上标志着空隙成核向生长的起始。

图：在高达0.5 km/s时，层裂区内部孔隙演化过程的截面快照。（I） SC Sn，其中（a）–（e）是原子截面快照，（f）–（I）是相应的原子轨迹；（II） NC Sn，其中（a）–（c）是原子截面快照，（d）–（f）是相应的原子轨迹。在SC-Sn模型中，原子快照由势能（PE）着色，在NC-Sn模型中，截面快照由晶粒表示，原子投影由时间周期着色，并且切片厚度为2.0nm。

图：孔隙成核、生长和聚结的过程，最高速度为0.5 km/s。（a） SC Sn和（b）NC Sn。原子快照由势能（PE）着色，空隙表面由橙色表示。

图：孔隙成核、生长和聚结的过程在高达1.5 km/s时发生。（a） SC Sn、（b）NC Sn和（c）剥落区中孔隙演化过程的截面快照。

文五：

多晶BCC-Fe断裂分析的周动力学模型及其分子动力学模拟

摘要：

在本工作中，基于从分子动力学（MD）模拟中提取的牵引分离（T-S）本构关系，提出了一个近场动力学（PD）模型来研究多晶BBC-Fe在模式I载荷条件下的裂纹扩展行为。通过对原子结构和应力分布的分析，进行了MD模拟，深入了解了裂纹的形成过程和断裂机理。在稳定开裂阶段跟踪裂纹尖端处的原子应力相对于开口距离，以提供稳定的T-S关系。通过MD模拟获得了单晶Fe的断裂参数，在此基础上通过能量等效方法获得了PD参数。然后，提出了一种结合内聚区模型（CZM）的PD方法来研究多晶Fe的I型断裂。基于Fe单晶的准静态分裂实验，在所提出的PD模型和经典的CZM之间发现了良好的一致性。随后，对多晶Fe中的动态裂纹扩展进行了PD模拟。此外，还考察了PD的晶粒尺寸、晶界强度和ho rizon尺寸对断裂特性的影响。可以看出，源自经典内聚理论的T-S关系可以被视为MD和PD之间的有效桥梁。这项工作为从原子变形机制到微观断裂描述研究多晶体的断裂行为提供了新的思路。