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单晶金属锆在循环载荷下疲劳行为的分子动力学模拟

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究进展

1.2.1 金属锆研究进展

1.2.2 疲劳裂纹研究进展

1.3 研究的目的和意义

1.4 研究的主要内容

第2章 方法和模型

2.1 分子动力学简介

2.2 分子动力学的基本原理

2.3 势函数

2.4 初始条件

2.5 边界条件

2.6 积分算法

2.7 系综

2.8 控压和调温技术

1.控压技术

2.调温技术

2.9 其他基本条件的选择

2.10 分子动力学中的宏观物理量

2.11 分子动力学的实现步骤

第3章 常温下单晶金属锆疲劳裂纹演化过程的分子动力学研究

3.1 引言

3.2 模型和方法

3.3 模拟结果

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摘要

锆作为过渡金属可以吸收氧、氮等元素，用作仪器清洁材料；又可作为添加元素加入钢或铁中提高材料强硬度；同时锆合金通常是核电站安全屏障--核燃料包壳的主要制作材料，所以通常含锆材料在实际工况下不可避免的会受到微小连续载荷的影响。本文采用了分子动力学的计算模拟方法，首先在常温下对三个不同位向的裂纹模型进行了循环加载，研究了[10(1)0](0001 ),[0001]((1)2(1)0)和[(1)2(1)0](10(1)0)裂纹模型在循环拉伸加载下裂纹尖端附近的微观结构和变形机制的改变。常温下[10(1)0](0001)裂纹模型在疲劳加载下裂纹尖端附近的主要变形机制为孪生和滑移，裂纹沿孪晶面发生了扩展且开裂方式为韧性开裂；[0001]((1)2(1)0)裂纹模型在疲劳加载状态下裂纹尖端附近变形机制主要为位错发射，整个模型具有较好的塑性；而[(1)2(1)0](10(1)0)裂纹模型在加载情况下的变形机制为滑移、钝化和孔洞成核，其中钝化和孔洞成核导致裂纹发生了快速扩展，裂纹贯穿了模型并导致模型断裂。通过对比三个裂纹模型，加载方向对单晶金属锆在疲劳加载下的裂纹扩展的影响，是因为加载方向的不同导致不同模型在加载时相同的滑移面受到了不同的分切应力，所以各模型裂纹尖端产生的变形机制不同。同时计算了模型在加载过程中所受应力以及裂纹扩展速率，进一步分析了加载取向对模型裂纹扩展的影响；另外还分别模拟了5K、600K、900K下[0001]((1)2(1)0)和[(1)2(1)0](10(1)0)模型在疲劳拉伸加载时模型内部的微观结构演化过程和裂纹扩展情况，同时计算了它们的裂纹扩展速率，以此来分析温度效应对单晶金属锆疲劳加载的影响；为了研究加载方式对单晶金属锆的影响，我们还进行了疲劳压缩加载，对比了拉伸和压缩时模型内部变形机制的改变。通过研究发现温度和加载方式都是影响单晶金属锆疲劳行为的重要因素。

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