金属材料断裂的多尺度耦合模拟研究

Combining with the macro experiments of fracture, the microstructure observation experiments, the atomic-scale simulation of molecular dynamics and continuum finite element method, Ni-based metal alloy is studied to develop a coupling multi-scale theory for crack propagation of metallic material. First, as the basic information for molecular dynamic modeling, micro structure of metal material is obtained from the observation electronic microscope. Then utilizing the Virial function and the statistical mechanics methods, the constitutive Traction-Separation (T-S) curve is detected from the results of molecular dynamics simulation. Simultaneously, by means of the atomic-scale characterization techniques for evolution of micro defects the probable phase transition or twin would be real-time traced. Making use of the cohesive element a multi-scale model with atomic scale information is built up to obtain the dynamic fracture parameter. Comparing the computational fracture toughness with the experimental one, the validations of the molecular dynamic model, the size of T-S region and the CZVE (Cohesive Zone Volume Element) elements, as well as the coupling multi-scale theory for crack propagation are accomplished, which would blaze a new trail in predicting, optimizing, accelerating design and discovery of new materials.

以镍基合金金属材料为研究对象，采用宏观断裂力学性能实验、微观结构观察实验、基于原子尺度的分子动力学和连续介质有限元数值模拟相结合的研究方法，发展金属材料裂纹扩展的多尺度耦合理论。首先由电子显微镜获得的金属材料的微观组织结构，在此基础上建立分子动力学模型；再利用维里函数和统计力学方法，提取分子动力学模拟结果中材料T-S本构关系曲线，同时基于原子尺度的微观缺陷演化机制表征技术，实现裂纹扩展过程中的相变和孪晶现象的实时追踪；利用Cohesive单元实现跨尺度连接，建立包含原子尺度信息的多尺度数值模型，获得宏观的动态断裂参数。与实验测得的断裂韧性相比较，验证分子动力学模型、T-S区域合理宽度、CZVE单元合适尺寸和裂纹扩展的多尺度耦合理论，为先进新材料性能预测、结构优化、缩短设计周期开辟一条新路。

近年来国际上先进国家对金属材料断裂的多尺度耦合模拟研究十分热烈，金属材料的宏观力学性能源于纳米尺度的原子结构和微米尺度的细观结构及其不同尺度下的变形机理。本项目以镍基合金金属材料为研究对象，采用宏观断裂力学性能实验、微观结构观察实验、基于原子尺度的分子动力学和连续介质有限元数值模拟相结合的研究方法。基于SHPB冲击断裂试验，利用电子显微镜（SEM和TEM）观察了断裂试件的微观组织结构和断裂模式，研究了断裂的原子尺度影响范围。基于微观观察所获得的几何形貌，建立了基于LAMMPS分析平台的原子尺度分子动力学模型。基于建立的合金原子尺度模型，研究了裂尖附近区域孔洞的形成、生长、聚集和联通机制，利用CNA等键对分析技术实现了裂纹扩展过程中原子键渐次破坏过程、伴随的相变、孪晶等现象的实时追踪和表征。确定了T-S区域的合理宽度和CZVE单元的合理尺寸，用Viral函数和统计力学的方法获取了带裂纹分子动力学模型的T-S关系曲线，建立了从微观到宏观的跨尺度耦合模型，研究了裂纹从微观尺度的萌生、聚集和贯穿到宏观试件断裂的过程。发展了金属材料裂纹扩展的多尺度耦合模型和方法，为先进新材料性能预测、结构优化、缩短设计周期开辟一条新路。