基于分子动力学的晶体铜拉伸变形机理研究

摘要

目前，微机电系统发展迅速，纳机电系统的研究逐渐引起了国内外学者的广泛关注。纳机电系统利用纳米级构件的特殊效应，能够实现常规机械无法实现的功能。然而，由于没有对纳构件的力学性能和变形机理进行系统的研究，目前纳机电系统的设计主要以经验和试探的方式为主。本文基于分子动力学理论，通过模拟纳构件材料的变形过程，从微观角度揭示纳构件的力学性能和变形机理。本文的研究对纳机电系统的设计和制造具有指导意义。
　　本文基于LAMMPS软件，实现了大规模多核并行计算。对单晶Cu纳米杆和单晶Cu块体进行拉伸模拟，获得了不同时刻的系统参数。通过对比分析，揭示了自由表面在位错形核和扩展过程中的作用。结果表明：受表面效应的影响，原子能量高的地方容易产生缺陷原子；单晶Cu纳米杆屈服强度小于单晶Cu块体；单晶Cu纳米杆在“位错层塞积—能量上升—位错层开动”的变形机制下发生塑性变形；单晶Cu块体在“空位—微观空洞—空洞贯穿—断裂”的变形机制下发生断裂。
　　其次，本文采用Voronoi方法，结合VC++程序，建立了纳米多晶Cu块体仿真模型，并分析了模型的内部结构。多晶Cu块体的晶粒尺寸在纳米量级，晶界原子比例较高，晶粒内部原子的能量较低，略大于理想晶体Cu的结合能。晶界原子处于高能量状态，截面原子能量分布呈盆地状。模拟了多晶Cu块体拉伸变形过程，结果表明，晶界对多晶Cu块体变形过程有较大影响。缺陷原子在能量较高的地方产生的概率较大，位错首先在晶界处形核；位错无法穿过晶界扩展到相邻的晶粒内部，遇到晶界即停止扩展。这导致纳米多晶Cu的应变强化现象；观察到晶粒在协调变形过程中有旋转的趋势，表明其变形机制以晶界滑移和晶粒旋转为主。
　　最后，采用Voronoi方法，结合VC++程序，建立了具有不同截面形状的多晶Cu纳米杆仿真模型。模型具有相同的长径比、晶粒拓扑等，以排除这些因素对变形的影响。通过对比两者拉伸变形的不同，分析了截面形状对多晶纳米杆拉伸变形的影响。结果表明，截面形状影响多晶Cu纳米杆表面原子能量分布。圆形纳米杆的表面曲率大，处于高能量状态的表面原子比例较大，这导致圆形表面原子容易产生原始缺陷源。因此圆形多晶Cu纳米杆强度较小。两者的变形均以晶界滑移为主导，说明截面形状对多晶纳米杆的变形机制影响较小。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源、背景及意义

1.2 国内外纳米材料分子动力学模拟研究现状及分析

1.3 课题主要研究内容

第2章 分子动力学基本理论及多晶模型建立

2.1 引言

2.2 分子动力学仿真方法

2.3 大规模分子动力学仿真软件环境

2.4 中心对称参数法

2.5 纳米多晶材料建模

2.6 本章小结

第3章 表面效应对单晶铜纳米杆变形机理的影响

3.1 引言

3.2 分子动力学模拟方案

3.3 单晶铜纳米杆仿真数据分析及可视化

3.4 单晶铜块体仿真数据分析及可视化

3.5 单晶铜纳米杆与单晶铜块体仿真结果对比

3.6 本章小结

第4章 微观结构对纳米多晶铜块体变形机理的影响

4.1 引言

4.2 纳米多晶铜块体模型结构分析

4.3 纳米多晶铜块体仿真数据分析及可视化

4.4 本章小结

第5章 截面形状对多晶铜纳米杆变形机理的影响

5.1 引言

5.2 分子动力学模拟方案

5.3 方形截面多晶铜纳米杆仿真结果分析及可视化

5.4 圆形截面多晶铜纳米杆仿真结果分析及可视化

5.5 方形、圆形截面多晶铜纳米杆仿真数据对比

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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