基于分子动力学的Al2Cu单轴拉伸模拟与力学性能分析

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铝及铝合金是社会生产、生活中常用的金属制品的原始材料。其中的7XXX系Al-Zn-Mg-Cu超硬铝合金,由于具有比重小、强度高、加工性能好等优点,被广泛应用于航空航天工业和民用交通工具等。但是7XXX系铝合金在生产时,受原材料、加工工艺、热处理工艺等因素的影响,合金基体中存在大量的共格和不共格的第二相粒子。这些第二相粒子对材料的再结晶行为、力学性能、断裂韧性、耐腐蚀性能等均产生重要影响。本文使用嵌入原子法并基于LAMMPS和Ovito对7XXX系Al-Zn-Mg-Cu超硬铝合金中常见的粗大第二相粒子Al2Cu进行了单轴拉伸的分子动力学模拟和可视化分析。模拟中分别建立了不含孔洞和含孔洞的初始模型,在进行单轴拉伸的同时对模型施加不同条件。记录了不同时刻原子坐标、温度、应力等数据,并根据原子轨迹图和应力应变曲线对不同条件下的拉伸过程进行了分析。在对不含预制孔洞的Al2Cu10a0×10a0×10b0的超晶胞初始模型进行300K恒温条件下沿X轴拉伸时发现Al2Cu非常脆,在应变e=0.0860时应力就达到峰值6.4Gpa;而当在其中引入预制孔洞后,其抗拉强度和塑性均大幅下降,在e=0.0498时就到达峰值3.52Gpa。改变拉伸的热浴条件和工程应变速率时发现在200K到600K之间,Al2Cu的塑性随着温度上升而上升,抗拉强度随着温度的上升而下降;而在模拟使用的工程应变速率范围内,其塑性和抗拉强度均随着工程应变速率增加而稳步上升。分析原子轨迹图还发现在应变率为e(5)=0.005至e(5)=0.01之间存在一个值,当Al2Cu的拉伸应变率超过这个值时,一些拉伸产生的空位就来不及发生大幅移位,从而在体系内各处均萌生孔洞;而且较大的孔洞有更大的接触面积使其更容易吸收周围的空位进行成长,从而压制周围较小孔洞的成长。在模拟含有孔洞的Al2Cu单轴拉伸时,在不改变预制孔洞位置的情况下逐渐增加预制孔洞的大小,发现Al2Cu的塑性和抗拉强度均有所下降。在研究孔洞数量和孔洞分布对Al2Cu的影响时,建立了20a0×20a0×5b0的超晶胞初始模型。改变模型中半径为1.5a0孔洞的数量,发现不同孔洞数量对应的应力应变曲线在弹性变形阶段基本重合,随着孔洞数量的增多,Al2Cu的塑性以及抗拉强度都有不同程度的下降。对比不同孔洞大小时的应力应变曲线,发现原子删除率并不直接影响应力应变曲线的稳定性,孔洞的大小才是影响因素。孔洞连线方向与拉伸方向的夹角越小,Al2Cu表现出越强的塑性和抗拉强度。
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