基于lammps模拟的合金两种不同弯曲方法及动态变形的研究
关键词：lammps；弯曲，CuAl合金，塑性变形，应力集中
弯曲是指材料或结构在受到外力作用时，沿着其轴线方向发生形变，从而呈现出弧形或角度变化的现象。这种形变通常由机械压力、弯曲试验、复杂工况中的受力状况等因素引发。在实际应用场景中，弯曲的形式多样，可表现为均匀弯曲、局部弯曲等多种模式。弯曲的程度主要依据材料的弯曲角度、曲率半径以及所受的弯曲力大小来衡量。在较小的弯曲角度和曲率半径、较轻的弯曲力作用下，材料往往能够承受一定程度的弯曲而不至于损坏，展现出良好的柔韧性和抗弯性能；然而，当弯曲角度过大、曲率半径过小以及承受的弯曲力过强时，材料就会面临弯曲破坏的风险，可能出现裂纹、变形甚至断裂等情况。为了准确评估材料在弯曲状态下的性能表现，通常会借助弯曲试验等手段，通过观察材料的变形情况和受力特性，来确定其适用范围和可靠性。不过，在宏观观察与微观分析之间存在着差异，比如微观层面的材料晶格变化、分子间相互作用的调整等，在细节宏观的弯曲实验中往往难以直接捕捉。为了深入探究弯曲状态下材料行为背后的微观机制，并实现不同研究尺度下的统一解释，通常以材料内部的微观结构变化为切入点，从原子层面的位错运动到分子链的取向变化等多方面进行剖析，以此来全面揭示材料在弯曲过程中的性能变化规律，从而为材料的设计、应用和优化提供理论依据和实践指导。
图1(a)弯曲载荷，图1(b)三点弯曲；图1(c)弯曲载荷分子动力学模型；图1(d)三点弯曲分子动力学模型
如图1所示，本模拟根据实际加载状况创建了Cu-Al合金模型。模型被构造为规则的面心立方（FCC）晶格，其晶体取向[100]、[010]和[001]分别平行于X、Y和Z轴方向。模拟过程中，首先在LAMMPS代码中设置金属单位制，并施加周期性边界条件，并设定时间步长为0.001皮秒。两个圆柱形单晶区域：Al区域的半径为20 Å，高度为50 Å；Cu区域的半径同样为20 Å，高度为50 Å，并且位于Al区域的正上方。将这两个区域合并，形成一个完整的模拟区域。随后，分别使用面心立方（FCC）晶格填充Al和Cu区域，其中Al的晶格常数为4.05 Å，Cu的晶格常数为3.61 Å。
图2 CuAl合金直接弯曲的原子轨迹图
图3 CuAl合金三点弯曲的原子轨迹图
图2和图3分别展示了CuAl合金在直接弯曲和三点弯曲两种方式下的原子轨迹图。直接弯曲时，合金整体从直线变为曲线，原子位移相对较均匀，主要发生在弯曲区域，外侧原子稀疏，内侧原子紧密，导致应力分布不均，可能引发裂纹。三点弯曲下，合金在支撑点和加载点之间形成下凹，原子位移集中在加载点下方，应力集中更明显，局部损伤更严重，更易加速裂纹产生与扩展。形状变化上，直接弯曲呈现均匀弧形，三点弯曲有局部凹陷。原子位移分布，直接弯曲较均匀，三点弯曲集中于加载点。应力分布方面，直接弯曲外侧与内侧应力不同，三点弯曲应力集中于加载点下方。损伤累积上，三点弯曲因应力集中损伤更局部且严重，循环加载下更易出问题；直接弯曲损伤分散，整体性能更均匀。
图4 CuAl合金直接弯曲的原子应力云图
图5 CuAl合金三点弯曲的原子应力云图
图4和图5分别为CuAl合金在直接弯曲和三点弯曲两种方式下的原子应力云图。直接弯曲时，初始阶段（图4a）应力分布较均匀，随着弯曲进行（图4b-d），应力在弯曲区域逐渐集中，颜色从蓝色向红色过渡，表明剪切应变增大，应力主要集中在弯曲的外侧和内侧区域，呈现较为连续的分布。三点弯曲时，初始阶段（图5a）应力分布也较均匀，但随着弯曲进行（图5b-d），应力集中在加载点下方，形成明显的高应力区域，颜色变化更为剧烈，显示局部应力显著增大，且应力分布范围相对较小，集中在加载点附近。相比之下，直接弯曲的应力分布更分散，沿弯曲区域逐渐变化；而三点弯曲应力集中更明显，局部应力峰值更高，可能导致更严重的局部损伤和潜在的裂纹萌生。
图6 CuAl合金直接弯曲的位错形貌
图7 CuAl合金三点弯曲的位错形貌
图6和图7展示了CuAl合金在直接弯曲和三点弯曲两种方式下的位错形貌。直接弯曲时，初始阶段（图6a）位错较少，随着弯曲进行（图6b-d），位错逐渐产生并增殖，形成较为复杂的位错网络，包括多种类型的位错（如完美位错、肖克利位错等），位错分布在弯曲区域较为广泛，呈现出连续且较为均匀的分布特征。三点弯曲时，初始阶段（图7a）同样少有位错，弯曲进行中（图7b-d）位错在加载点下方集中出现，形成密集的位错网络，位错类型同样丰富，但分布范围相对较小，主要集中在加载点附近的局部区域，显示出应力集中导致的局部变形更为剧烈。相比之下，直接弯曲下位错分布更分散，覆盖区域更广；三点弯曲下位错集中在加载点下方，局部位错密度更高，表明三点弯曲在局部区域的变形程度更为严重。
