金属材料裂纹扩展的数值模拟研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

金属材料在铸造、锻造，成形工艺及使用服役等过程中，都会一定程度地在其内部造成微观损伤。微裂纹的存在是一种隐患，会使构件刚度、强度、韧性及使用寿命大打折扣。在一定的外部因素，如交变载荷，温度变化以及应力腐蚀等作用下，这些微裂纹缺陷会不断扩展、演变，最终形成宏观裂纹。裂纹的持续扩展最终会导致构件的断裂破坏，而断裂是金属材料的三大失效类型之一。

金属产品生产的机械加工过程中，若加工工序控制不严格，方法不适合，皆会对零件的表面完整性造成一定程度的损伤，如表面划痕、细微裂纹、残余应力和塑性形变等缺陷，在工件投入使用后，这些缺陷会导致构件的疲劳性能下滑，有效强度及抗腐蚀能力等性能受损降低。实际生产制造过程中，不论是粉末冶金还是锻造铸造，材料内部都难以保持完美无瑕，或多或少都会有残余应力，气孔空隙或者微观裂纹的出现。在受到疲劳载荷时，疲劳载荷会激发内部初始的微观缺陷的持续扩张生长，继而导致零部件可靠性降低甚至断裂失效。因此，微观裂纹很难避免，且细微裂纹的萌生期往往很短暂，一旦有微裂纹萌生，零件疲劳寿命就主要取决于微观裂纹扩展及演变为孔洞的历经过程。所以，在原子尺度下研究金属内初始微裂纹在载荷作用下的的失稳扩展和生长演变是十分必要的。

自 20 世纪 80 年代以来，计算机计算水平飞跃发展，随着各种元素微观粒子势函数的测定和完善，分子动力学方法也日益成熟。国内外诸多学者将分子动力学仿真方法广泛运用到金属晶体材料领域，尤其是在纳米尺度的研究，如裂纹扩展、纳米切削、晶体拉伸及孔洞生长等诸多课题。

2. 研究的基本内容与方案

通过毕业论文的全过程训练，建立对科研的基本概念，训练写作能力。梳理。熟悉数值模拟的特点及主要过程，掌握模型的初始化设置、模型的建立、作用力场选择及参数设置、体系平衡及系综选择、输出等基本要点。利用lammps进行某些金属的建模及加载实验，控制变量为模型尺寸、裂纹长度、温度和应变速率对其上裂纹扩展的影响。

技术方案及措施：

第一步，系统初始化设置。规定了原子类型、系统单位、系统维数和边界条件等；

3. 研究计划与安排

1. 阅读金属材料裂纹扩展的相关文献，查阅相关的文献不少于15篇，其中外文文献不少于10篇，翻译一篇相关的英文资料；（1-2周）

2. 利用分子动力学研究金属材料裂纹扩展；（3-9周）

3. 学习使用有限元软件并用有限元软件研究金属材料的裂纹扩展；（10-13周）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]臧翔. 单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学模拟[d].长春理工大学,2019.