扭转力下金属塑性行为的分子动力学研究

摘要

本文运用分子动力学模拟方法，以面心立方（FCC）金属块体（Al和Ni）为对象，研究了在扭转作用下其扭转晶界的演化现象，以及双金属界面（Al和Ni）的演化现象。以纳米尺度的体心立方（BCC）金属（Fe）为对象，研究了纯金属纳米线（Fe）在扭转下的塑性变形机制，以及有扭转晶界存在时纳米线的塑性变形机制。主要的研究内容和结论如下:
　　（1）、在扭转力的作用下，我们分别研究了单金属铝和镍在<100>，<110>和<111>取向上的扭转晶界在顺时针扭转和逆时针扭转下的演化行为。因晶粒的取向不同，它们的晶界结构呈现出不同的结构。在<100>方向上，扭转晶界的初始位错结构呈现出矩形的位错网，它是由两组相互垂直的位错线构成的。在<111>方向上，扭转晶界的初始位错结构呈现出三角形的位错网，它是由三组位错线组成的。在<110>方向上，不同的金属表现出不同的位错结构，铝的位错结构是近似的矩形位错网，镍的位错结构则是曲折的位错线组成的位错网。在逆时针扭转时，上述位错网都收缩，使得位错密度增加；在顺时针扭转时，上述位错网都扩大，使得位错密度减小。从中可以看出扭转晶界在两个方向上的演化结果是不对称的。我们同样研究了铝镍双金属界面在扭转作用下的塑性变化行为，结果表明铝镍双金属界面的位错总是在界面内传播，并没有向晶粒内部传播的趋势。而单金属扭转晶界的位错不仅可以在晶界面内传播，它还可以向晶粒内部传播。对比两种情况可以发现，在扭转作用下双金属界面对晶界中位错的传播有一定的抑制作用。
　　（2）、我们分别研究了在<100>,<110>和<111>取向上无缺陷铁纳米线和有扭转晶界存在铁纳米线在扭转力的作用下的塑性变形行为。对于无缺陷纳米线，在<100>方向上，位错在纳米线表面生成并向纳米线内部传播，逐渐形成了镜像的“C”型位错线；随着扭转的继续，位错线彼此相互作用最终形成了三维的位错网。在<110>方向上，在纳米线的表面逐渐形成位错滑动面，随着纳米线的扭转，位错滑动面最终相遇并形成了更大的滑动面，它们把纳米线截成了两部分。在<111>方向上，纳米线不仅形成了镜像的“C”型位错线，还形成了位错面。对于有扭转晶界存在的纳米线，在<100>方向上，初始的位错结构呈现出矩形的位错网，它是由两组相互垂直的位错线组成的。在<110>方向上，初始的位错结构是由四条位错线组成的“X”型结。在<111>方向上，初始的位错结构是由三组平行的位错线组成的位错网。研究结果表明无缺陷纳米线的塑性行为与纳米线的取向有关，有扭转晶界纳米线的塑性行为主要发生在晶界处，并且表现出与FCC金属晶界相似的演化行为。

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1 绪论

1.1金属材料的发展

1.2 位错

1.2.1 位错的分类及其形成原因

1.2.2 位错的运动

1.3 晶界

1.3.1 晶界的分类

1.3.2 晶界对材料性质的影响

1.4 本文研究的主要内容和目的

2 分子动力学方法及晶体结构分析

2.1 分子动力学方法

2.1.1 分子动理学理论

2.1.2 势函数

2.1.3 算法

2.1.4 系综原理

2.1.5边界条件

2.2 结构分析

3 铝镍扭转晶界及其界面在扭转下的分子动力学研究

3.1 研究背景

3.2模拟方法

3.3 模拟结果

3.3.1 铝扭转晶界的演化现象

3.3.2 镍的扭转晶界的演化现象

3.3.3 铝镍双金属界面的演化现象

3.4 结果分析

3.5 本章小结

4铁纳米线在扭转作用下的分子动力学研究

4.1 研究背景

4.2 模拟方法

4.3 模拟结果

4.3.1 无缺陷纳米线的演化结果

4.3.2 无缺陷纳米线演化结果的分析

4.3.3 有扭转晶界铁纳米线的演化结果

4.3.4 有扭转晶界铁纳米线演化结果的分析

4.3.5 温度效应对纳米线变形行为的影响

4.3.6 尺寸效应对纳米线变形行为的影响

4.4 本章小结

5 结论和展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢