關鍵詞：lammps；彎曲，CuAl合金，塑性變形，應力集中

彎曲是指材料或結構在受到外力作用時，沿著其軸線方向發生形變，從而呈現出弧形或角度變化的現象。這種形變通常由機械壓力、彎曲試驗、復雜工況中的受力狀況等因素引發。在實際應用場景中，彎曲的形式多樣，可表現為均勻彎曲、局部彎曲等多種模式。彎曲的程度主要依據材料的彎曲角度、曲率半徑以及所受的彎曲力大小來衡量。在較小的彎曲角度和曲率半徑、較輕的彎曲力作用下，材料往往能夠承受一定程度的彎曲而不至于損壞，展現出良好的柔韌性和抗彎性能；然而，當彎曲角度過大、曲率半徑過小以及承受的彎曲力過強時，材料就會面臨彎曲破壞的風險，可能出現裂紋、變形甚至斷裂等情況。為了準確評估材料在彎曲狀態下的性能表現，通常會借助彎曲試驗等手段，通過觀察材料的變形情況和受力特性，來確定其適用范圍和可靠性。不過，在宏觀觀察與微觀分析之間存在著差異，比如微觀層面的材料晶格變化、分子間相互作用的調整等，在細節宏觀的彎曲實驗中往往難以直接捕捉。為了深入探究彎曲狀態下材料行為背后的微觀機制，并實現不同研究尺度下的統一解釋，通常以材料內部的微觀結構變化為切入點，從原子層面的位錯運動到分子鏈的取向變化等多方面進行剖析，以此來全面揭示材料在彎曲過程中的性能變化規律，從而為材料的設計、應用和優化提供理論依據和實踐指導。

圖1(a)彎曲載荷，圖1(b)三點彎曲；圖1(c)彎曲載荷分子動力學模型；圖1(d)三點彎曲分子動力學模型

如圖1所示，本模擬根據實際加載狀況創建了Cu-Al合金模型。模型被構造為規則的面心立方（FCC）晶格，其晶體取向[100]、[010]和[001]分別平行于X、Y和Z軸方向。模擬過程中，首先在LAMMPS代碼中設置金屬單位制，并施加周期性邊界條件，并設定時間步長為0.001皮秒。兩個圓柱形單晶區域：Al區域的半徑為20 ?，高度為50 ?；Cu區域的半徑同樣為20 ?，高度為50 ?，并且位于Al區域的正上方。將這兩個區域合并，形成一個完整的模擬區域。隨后，分別使用面心立方（FCC）晶格填充Al和Cu區域，其中Al的晶格常數為4.05 ?，Cu的晶格常數為3.61 ?。

圖2 CuAl合金直接彎曲的原子軌跡圖

圖3 CuAl合金三點彎曲的原子軌跡圖

圖2和圖3分別展示了CuAl合金在直接彎曲和三點彎曲兩種方式下的原子軌跡圖。直接彎曲時，合金整體從直線變為曲線，原子位移相對較均勻，主要發生在彎曲區域，外側原子稀疏，內側原子緊密，導致應力分布不均，可能引發裂紋。三點彎曲下，合金在支撐點和加載點之間形成下凹，原子位移集中在加載點下方，應力集中更明顯，局部損傷更嚴重，更易加速裂紋產生與擴展。形狀變化上，直接彎曲呈現均勻弧形，三點彎曲有局部凹陷。原子位移分布，直接彎曲較均勻，三點彎曲集中于加載點。應力分布方面，直接彎曲外側與內側應力不同，三點彎曲應力集中于加載點下方。損傷累積上，三點彎曲因應力集中損傷更局部且嚴重，循環加載下更易出問題；直接彎曲損傷分散，整體性能更均勻。

圖4 CuAl合金直接彎曲的原子應力云圖

圖5 CuAl合金三點彎曲的原子應力云圖

圖4和圖5分別為CuAl合金在直接彎曲和三點彎曲兩種方式下的原子應力云圖。直接彎曲時，初始階段（圖4a）應力分布較均勻，隨著彎曲進行（圖4b-d），應力在彎曲區域逐漸集中，顏色從藍色向紅色過渡，表明剪切應變增大，應力主要集中在彎曲的外側和內側區域，呈現較為連續的分布。三點彎曲時，初始階段（圖5a）應力分布也較均勻，但隨著彎曲進行（圖5b-d），應力集中在加載點下方，形成明顯的高應力區域，顏色變化更為劇烈，顯示局部應力顯著增大，且應力分布范圍相對較小，集中在加載點附近。相比之下，直接彎曲的應力分布更分散，沿彎曲區域逐漸變化；而三點彎曲應力集中更明顯，局部應力峰值更高，可能導致更嚴重的局部損傷和潛在的裂紋萌生。

圖6 CuAl合金直接彎曲的位錯形貌

圖7 CuAl合金三點彎曲的位錯形貌

圖6和圖7展示了CuAl合金在直接彎曲和三點彎曲兩種方式下的位錯形貌。直接彎曲時，初始階段（圖6a）位錯較少，隨著彎曲進行（圖6b-d），位錯逐漸產生并增殖，形成較為復雜的位錯網絡，包括多種類型的位錯（如完美位錯、肖克利位錯等），位錯分布在彎曲區域較為廣泛，呈現出連續且較為均勻的分布特征。三點彎曲時，初始階段（圖7a）同樣少有位錯，彎曲進行中（圖7b-d）位錯在加載點下方集中出現，形成密集的位錯網絡，位錯類型同樣豐富，但分布范圍相對較小，主要集中在加載點附近的局部區域，顯示出應力集中導致的局部變形更為劇烈。相比之下，直接彎曲下位錯分布更分散，覆蓋區域更廣；三點彎曲下位錯集中在加載點下方，局部位錯密度更高，表明三點彎曲在局部區域的變形程度更為嚴重。

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