原子/离散位错耦合材料模拟方法及应用

摘要

纳米晶体金属及其合金材料由于其优越的物理、化学、力学等性能，在电子、能源、航空航天等领域具有广泛的应用前景。其力学性能主要体现在在较高韧性、高强度和低温超塑性等。对于含缺陷纳米金属及其合金力学性能的多尺度研究，是目前固体力学、计算材料、凝聚态物理等领域最活跃的方向之一。本文发展了一种“有限温度下动态原子/离散位错耦合材料模拟方法”，进行跨原子、细观、宏观尺度的含缺陷晶体材料力学性能研究。在原子区域，采用分子动力学方法并选择合适的温控方法；连续区域中离散位错模型与动态有限元相结合；通过原子/连续区域界面及交叠带原子的位移实现不同空间区域信息的传递。该方法具有（1）保持系统平衡温度；（2）获得正则热涨落；（3）吸收原子区域内产生并传播到界面上的波等能力，被证明是一种非常有效的多尺度材料模拟方法。利用上述多尺度材料模拟方法解决了关于f.c.c铝裂尖孪晶形成理论预测与实验观察之间的矛盾。研究表明，在f.c.c 金属中存在着孪晶与位错滑移两种塑性变形机制及其转变，这两种机制的竞争是率相关的，在相对低的载荷和加载率下，位错滑移主导金属塑性变形。本研究还基于Rice-Beltz 提出的二维解析Peierls 模型，发展了一新的解析模型，用于研究孪晶与位错滑移之间的转变。