精密成形工程

作者：朱强, 张自昂, 陈铭, 张林福, 刘康, 范国华, 李道乾, 逯红果, 张洁, 司玉霄, 张鹏

单位：1.哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程,山东 威海 264209;<br>2.南京工业大学 先进轻质高性能材料研究中心,南京 211816;<br>3.山东瑞泰新材料科技有限公司,山东 淄博 256100;<br>4.威海市科技创新发展中心,山东 威海 264209

关键词：钛/铝层状复合材料,分子动力学模拟,裂纹扩展,界面效应,位错演化

基金：国家自然科学基金（52175306,52205347）; 国家重点研发计划（2022YFE0110600）; 山东省高校青年创新科技支撑计划（2024KJH022）; 山东省重点研发计划（2024CXGC010803, 2024TSGC0673）

目的 探究层厚比对钛/铝层状复合材料裂纹扩展机制的影响,为理解其优异的强韧性协同效应提供原子尺度的见解。方法 采用分子动力学模拟方法,构建了3种不同钛层层厚分数（25%、50%、75%）的钛/铝层状复合材料模型,并对其拉伸行为和裂纹动力学特性进行了系统分析。在模拟中,通过施加单轴拉伸载荷,并利用OVITO软件对原子运动、应力分布、位错演化和裂纹尖端扩展过程进行实时追踪和定量分析。结果 随着钛层层厚分数从25%增加到75%,峰值应力提升了38.8%,这主要归因于异质变形诱导强化效应,其中界面位错增强了背应力并抑制了塑性失稳。裂纹扩展模式也随之转变：25%钛层层厚分数的模型主要表现为铝层主导的纳米孔洞形核和扩展,裂纹路径曲折;而75%钛层层厚分数的模型则表现为钛约束下的裂纹钝化,裂纹路径更直,纳米孔洞形核受到抑制,韧性提高。值得注意的是,50%钛层层厚分数的模型通过平衡位错存储与堆垛层错约束,实现了最优的强韧性协同效应。结论 本研究的分子动力学模拟结果清晰地阐明了钛层层厚分数对钛/铝层状复合材料力学性能及裂纹扩展机制的影响。原子尺度分析结果表明,层厚比调控着应力重分布、塑性区演化及界面分层行为,这些发现为协调抗裂性与力学性能提供了设计依据。

来源：2026年第2期

《精密成形工程》期刊编辑部

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