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空洞对单晶镁力学性能影响的分子动力学研究

空洞对单晶镁力学性能影响的分子动力学研究

作者：唐锦旗南昌航空大学

学位级别：硕士

镁及镁合金是典型的金属结构材料,具有低密度和高比强度等一系列优点,被广泛用于航空航天、汽车和电子消费产品等领域。我国具有丰富的镁资源矿产,也是镁资源消费大国,在我国的可持续发展战略中,镁及镁合金的开发是不可缺少的一环。镁... 详细信息

镁及镁合金是典型的金属结构材料,具有低密度和高比强度等一系列优点,被广泛用于航空航天、汽车和电子消费产品等领域。我国具有丰富的镁资源矿产,也是镁资源消费大国,在我国的可持续发展战略中,镁及镁合金的开发是不可缺少的一环。镁合金制品主要通过铸造方式获得,容易产生严重的气孔、缩孔和疏松等微观缺陷,这些微观缺陷可以归类为空洞缺陷,而空洞的生长和聚结对镁合金制品的使用寿命有重要的影响。因此,本文从微观角度出发,应用分子动力学方法研究空洞对单晶镁力学性能的影响。本文利用分子动力学方法,模拟了含空洞单晶镁在拉伸晶向、空洞形状、温度、空洞体积分数和空洞数量均不同情况下单轴拉伸过程,分析其力学性能并探讨了微观塑性变形机制。结果表明:（i）晶向对单晶镁的弹性模量和屈服应力有显著影响,单晶镁沿[0001]晶向拉伸的弹性模量和屈服应力大于沿[1120]晶向和[1100]晶向拉伸的弹性模量和屈服应力。单晶镁在拉伸过程中的微观变形机制不同:沿[0001]晶向拉伸,单晶镁的微观塑性变形机制主要是位错滑移和孪晶生长;沿[1120]晶向拉伸,单晶镁的微观塑性变形机制主要是出现垂直于拉伸方向的裂纹,随着拉伸的进行,裂纹与空洞聚合使材料断裂失效;沿[1100]晶向拉伸,单晶镁的微观塑性变形机制主要是空洞附近出现变形带,随后由于空洞颈缩严重,最终导致材料失效。（ii）含不同空洞形状单晶镁沿[0001]、[1120]和[1100]晶向拉伸时会有差异,且单晶镁沿[1120]晶向拉伸的屈服应力差异较大,含圆柱体空洞单晶镁的屈服应力最大,含球体空洞单晶镁的屈服应力最小。（iii）温度对单晶镁的弹性模量和屈服应力均有影响,随着温度从100K逐渐升高到500K,单晶镁的弹性模量和屈服应力依次降低,温度升高使单晶镁中原子的热运动加剧,部分原子紊乱,受到外力更加容易发生结构变形。（iv）空洞体积分数对单晶镁的弹性模量和屈服应力都有影响,空洞体积分数越大,单晶镁的弹性模量和屈服应力越小。（v）保持单晶镁中空洞体积分数不变,空洞越多,单晶镁的屈服应力越大。

关键词：分子动力学单晶镁空洞拉伸性能

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双空洞对单晶镁塑性变形机制的影响

塑性工程学报 2021年第12期28卷 148-153页

作者：唐锦旗尧军平吕昭陈致君南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌330063

采用嵌入原子势和分子动力学方法模拟了含双空洞单晶镁模型沿[0001]晶向单轴拉伸的过程,研究了双空洞分别沿[0001]、[1120]和[1100]晶向排列的3种单晶镁模型中空洞生长和聚结的塑性变形机制。结果表明,3种单晶镁模型的杨氏模量相同,说... 详细信息

采用嵌入原子势和分子动力学方法模拟了含双空洞单晶镁模型沿[0001]晶向单轴拉伸的过程,研究了双空洞分别沿[0001]、[1120]和[1100]晶向排列的3种单晶镁模型中空洞生长和聚结的塑性变形机制。结果表明,3种单晶镁模型的杨氏模量相同,说明它们的变形难易程度相同,但是在拉伸过程中屈服强度和强度极限有较大不同,空洞沿[0001]晶向排列单晶镁模型的屈服强度和强度极限大于其他两个单晶镁模型的屈服强度和强度极限;在塑性变形过程中,3种模型均会产生滑移带和堆垛层错等缺陷。拉伸过程中位错在空洞表面成核且出现滑移带。随着加载进行,产生堆垛层错和孪晶,孪晶逐步长大并占据模型的大部分,导致材料失效;空洞沿[0001]晶向排列的单晶镁模型产生的滑移带与其他两个模型有很大区别,其滑移带没有在双空洞之间产生,造成了之后两个空洞没有聚结;由于空洞与裂纹聚结,单晶镁内部提前断裂,应力释放,使空洞沿[1100]晶向排列的单晶镁模型中的两个空洞也没有聚结,只有空洞沿[1120]晶向排列的单晶镁模型中的两个空洞聚结在一起。

关键词：分子动力学空洞单晶镁孪晶

变形温度对含空洞的镁孪晶界面塑性变形机制的影响

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塑性工程学报 2021年第4期28卷 152-156页

作者：唐锦旗尧军平黄凯鑫胡启耀南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌330063

采用嵌入原子势的分子动力学模拟方法研究了变形温度对镁孪晶界面预制纳米空洞缺陷拉伸性能的影响,并研究了其塑性变形机制。结果表明:在塑性变形过程中会产生不全位错、滑移带和堆垛层错等缺陷;变形温度对试件的杨氏模量和屈服应力均... 详细信息

采用嵌入原子势的分子动力学模拟方法研究了变形温度对镁孪晶界面预制纳米空洞缺陷拉伸性能的影响,并研究了其塑性变形机制。结果表明:在塑性变形过程中会产生不全位错、滑移带和堆垛层错等缺陷;变形温度对试件的杨氏模量和屈服应力均有影响,变形温度从100 K升高到500 K时,杨氏模量从48.81 GPa下降到38.5 GPa,屈服应力随变形温度的升高而减小,原因是温度升高,原子的热激活效应增强,位错克服障碍运动更容易,塑性变形能力提高,导致屈服应力降低;在变形初始阶段,随着变形温度提升,晶界和孪晶界面堆垛层错增加,但滑移位置影响不明显;在变形严重阶段,温度越高,变形越严重,新位错不断形成,高密度位错相互缠绕,导致位错塞积。

关键词：分子动力学空洞单晶镁孪晶界面不全位错

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单晶镁中空洞生长的分子动力学模拟

特种铸造及有色合金 2021年第5期41卷 557-561页

作者：唐锦旗尧军平吕昭陈致君南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

利用分子动力学和嵌入原子法模拟了含空洞单晶镁的单轴拉伸过程,研究拉伸晶向和空洞形状对空洞生长变形的影响。结果表明,不同晶向拉伸,单晶镁中空洞生长变形的微观机制不同。沿[1210]晶向拉伸时,在晶体内部出现垂直于拉伸方向的裂纹,... 详细信息

利用分子动力学和嵌入原子法模拟了含空洞单晶镁的单轴拉伸过程,研究拉伸晶向和空洞形状对空洞生长变形的影响。结果表明,不同晶向拉伸,单晶镁中空洞生长变形的微观机制不同。沿[1210]晶向拉伸时,在晶体内部出现垂直于拉伸方向的裂纹,随着加载进行,裂纹与空洞聚结,空洞生长最终导致材料失效;沿[0001]晶向拉伸时,位错在空洞表面成核且出现堆垛层错,随着加载进行,堆垛层错成为孪晶产生的形核点,孪晶开始长大并逐步占据整个晶体最终导致材料失效。不同空洞形状对材料杨氏模量没有影响,但对材料屈服强度有一定影响。沿[1210]晶向拉伸,更易使含球形空洞晶体在其中间位置产生垂直于拉伸方向的裂纹,致使材料的屈服强度最小。

关键词：分子动力学单晶镁晶向空洞

第一性原理研究3C-SiC/Mg复合材料界面的电子结构

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原子与分子物理学报 2022年第4期39卷 151-156页

作者：吕昭尧军平唐锦旗陈致君南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对4种3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型进行研究.界面间距和粘附功的计算表明,结构优化之后的界面模型只在z轴方向发生了移动,界面间距发生了不同程度的缩短;中心型模型的稳定性强于顶位型模型,... 详细信息

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对4种3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型进行研究.界面间距和粘附功的计算表明,结构优化之后的界面模型只在z轴方向发生了移动,界面间距发生了不同程度的缩短;中心型模型的稳定性强于顶位型模型,C终端结构的稳定性强于Si终端结构,中心型C终端的界面模型具有最大的粘附功(2.5834 J/m^(2))和最小的界面间距(1.7193Å),是4种模型中最稳定的结构. Mulliken电荷、电荷密度分布、差分电荷密度和态密度的计算表明,中心性结构的Si终端和C终端模型界面处存在共价键、离子键和金属键.

关键词：界面电子结构第一性原理

TiC/Mg复合材料界面稳定性的第一性原理计算

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材料热处理学报 2020年第5期41卷 28-33页

作者：肖江波尧军平孙众唐锦旗吕昭陈致君南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌330063

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对4种TiC(111)/Mg(0001)界面的态密度、差分电荷及键合方式等进行计算分析,采用界面粘附功评价了界面的润湿性和结合强度。结果表明:经几何优化后,C终端心位界面结构、C终端顶位界面... 详细信息

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对4种TiC(111)/Mg(0001)界面的态密度、差分电荷及键合方式等进行计算分析,采用界面粘附功评价了界面的润湿性和结合强度。结果表明:经几何优化后,C终端心位界面结构、C终端顶位界面结构与Ti终端心位界面结构几乎没有发生改变,而Ti终端顶位界面结构转换成了Ti终端心位界面结构。新形成的Ti终端心位界面结构与建立的Ti终端心位界面结构有着相近的粘附功与界面间距。其中,C终端心位界面的界面粘附能最大为7.221 J/m^2,界面间距最小为0.139 nm,润湿性较好,界面最为稳定。在C终端心位界面结构与C终端顶位界面结构中,界面两侧键合方式主要为共价键与离子键,而在Ti终端心位界面结构中,界面处键合方式主要为金属键。

关键词： TiC/Mg复合材料界面稳定性第一性原理

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模拟紫外辐射对菹草表型特征的影响

核农学报 2025年

作者：王锦旗宋玉芝南京信息工程大学生态与应用气象学院/中国气象局生态系统碳源汇重点开放实验室

为评估强光照中光合有效辐射（PAR）、UV-A(320～400 nm)和UV-B(280～320 nm)辐射对菹草生长的影响，利用人工诱导光源将菹草植株暴露于4种不同的辐射条件下，分别为PAR处理组、PAR+UV-A辐射处理组、PAR+UV-B辐射处理组，及PAR+UV-A辐射... 详细信息

为评估强光照中光合有效辐射（PAR）、UV-A(320～400 nm)和UV-B(280～320 nm)辐射对菹草生长的影响，利用人工诱导光源将菹草植株暴露于4种不同的辐射条件下，分别为PAR处理组、PAR+UV-A辐射处理组、PAR+UV-B辐射处理组，及PAR+UV-A辐射+UV-B辐射处理组，观测植株形态、克隆分枝数及生物量变化。结果表明：在暴露28 d后，菹草株高、节间距、叶面积、叶片数、生物量等指标在UV-B作用下显著下降，在UV-A辐射作用下略有下降，在两者联合作用下，上述指标极显著降低，但两者协同作用较弱。在UV-A辐射作用下，植株出现少量分枝；在UV-B辐射作用下，植株出现较多分枝；在两者联合作用下，产生的分枝数最多；仅PAR作用下，植株不产生分枝。随辐射时间延长，植株各项指标的总变异系数及表型可塑性指数均逐渐增大。因此，紫外线在促进菹草分枝及表型改变方面起重要作用。本研究结果为了解菹草在春末夏季大批衰亡原因提供了理论依据。

关键词：表型可塑性分枝数株高叶面积觅食行为

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模拟紫外线辐射对菹草生理特征的影响

核农学报 2025年

作者：王锦旗宋玉芝南京信息工程大学生态与应用气象学院/中国气象局生态系统碳源汇重点开放实验室

为探究强辐射中UV-A和UV-B辐射对菹草生理特征的影响，将处于对数生长期的菹草置于4种不同辐射处理下，分别为：仅光合有效辐射（PAR)、PAR+UV-A辐射、PAR+UV-B辐射，以及PAR+UV-A+UV-B辐射，每天辐射8 h，共处理28 d，分别测定植株叶... 详细信息

为探究强辐射中UV-A和UV-B辐射对菹草生理特征的影响，将处于对数生长期的菹草置于4种不同辐射处理下，分别为：仅光合有效辐射（PAR)、PAR+UV-A辐射、PAR+UV-B辐射，以及PAR+UV-A+UV-B辐射，每天辐射8 h，共处理28 d，分别测定植株叶片叶绿素含量，过氧化物酶活性（POD）、超氧化物歧化酶活性（SOD）和丙二醛含量（MDA），并计算各指标的变异系数和表型可塑性指数。结果表明，UV-B辐射显著降低叶片叶绿素含量，UV-A辐射在短期内对叶绿素含量有促进作用，但长期无显著影响；POD、SOD活性和MDA含量在UV-A、UV-B联合处理及UV-B处理下均显著高于对照组，但单独UV-A作用下，这些指标略高于对照组；UV-B辐射还促进了变异系数和表型可塑性指数的增加。综合上述研究结果表明，UV-B辐射对菹草生长有明显的伤害作用，UV-A长期辐射的影响相对较小，且远小于UV-B辐射的伤害作用；回归分析结果显示，两者联合作用时，UV-A对UV-B辐射无显著协同和减缓作用。本研究结果为了解春末夏初菹草在强辐射下的生理变化提供了理论参考。

关键词：叶绿素含量抗氧化酶系统丙二醛活性氧自由基协同作用

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粘弹性层状半空间上刚体的垂直振动

工程力学 1998年第1期15卷 72-77页

作者：金波唐锦春孙炳楠同济大学结构理论研究所浙江大学土木系

本文较深入地研究了层状粘弹性半空间上刚性圆形基础的垂直振动问题。首先作者采用独创的方法求解弹性动力学基本方程，并借助于ＴｈｏｍｓｏｎＨａｓｋｅｌ的传递矩阵方法得出层状地基表面位移的Ｈａｎｋｅｌ变换式。然后按弹性力学... 详细信息

本文较深入地研究了层状粘弹性半空间上刚性圆形基础的垂直振动问题。首先作者采用独创的方法求解弹性动力学基本方程，并借助于ＴｈｏｍｓｏｎＨａｓｋｅｌ的传递矩阵方法得出层状地基表面位移的Ｈａｎｋｅｌ变换式。然后按弹性力学混合边值问题建立层状粘弹性地基上刚体垂直振动的对偶积分方程，并化为第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程。文末给出了数值算例。

关键词：传递矩阵刚体垂直振动层状粘弹性半空间第二类Fredholm积分方程