孪晶和堆垛层错对纳米晶金属材料力学性能影响的模拟

摘要

纳米材料作为一种新型的材料，以其优异的力、电、磁、光学和化学等宏观特性以及在宇航、电子、冶金、化工、生物和医学等领域得到了全世界的广泛关注。与普通的粗晶金属相比纳米晶金属，具有许多不同的性质和优良的性能。一般情况下一种材料可以具有很好的韧性，或者很高的强度，但很难两者兼而有之，通常是材料的强度越高，韧性就越差;韧性越好，强度一般就越低。对同一种材料来说，提高其强度往往是以降低其韧性为代价。近年来的一些研究结果表明，当晶粒细化为纳米尺度后，由于塑性变形机制的不同，可以通过在纳米晶材料中保留一部分微晶，来实现高强度高韧性的结合。在变形过程中，纳米尺度的晶粒可以保证材料具有很高的强度，而微晶可以稳定金属的塑性变形。因此理解纳米晶金属的微观结构与其表现出的力学性能之间的关系，从而从微观上揭示变形机理对于设计满足一定应用要求的材料具有根本性的意义。
　　本文采用分子动力学方法，选用EAM势函数，主要对典型的纳米晶体FCC金属（金属材料Al）的力学性能展开系统而深入的研究。具体研究内容包括:
　　(1)首先对FCC金属Al的性能进行研究。包括研究其单晶、不同厚度孪晶、不同厚度堆垛层错对材料的影响，研究这三种结构在不同温度时的变形行为。揭示出材料在变形过程中，位错与晶粒界面、位错与堆垛层错、位错与孪晶界面等相互作用的微观机制。
　　(2)其次研究了裂纹对FCC金属Al孪晶性能的影响进行研究。在此过程中，研究单晶Al中加入裂纹和孪晶、以及加入不同方向裂纹（其中包括裂纹方向与共格孪晶界面CTB平行和垂直两种极限状态）时材料的变形行为。揭示出材料在变形过程中位错与晶粒界面、位错与孪晶界面、孪晶界面对裂纹钝化作用的微观机理。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 纳米金属材料简介

1．1．1 纳米孪晶金属

1．1．2 纳米金属堆垛层错

1．2 孪晶和堆垛层错的研究现状

1．3 本文的主要内容

第2章 分子动力学简介

2．1 分子动力学原理

2．1．1 牛顿运动方程及其求解

2．1．2 势函数

2．1．3 系综

2．1．4 温度和压强控制

2．1．5 周期边界条件

2．2 应力的计算

2．3 原子构型的结构分析方法

2．3．1 公共紧邻分析(Common neighbor analysis(CNA))

2．3．2 径向分布函数法(Radial distribution function)

2．3．3 中心参数法(Centro symmetry parameter)

2．3．4 配位数法(Coordinate number)

2．3．5 数据处理(C语言+OPENMP)

第3章 纳米FCC金属Al中孪晶和堆垛层错对材料的影响

3．1 引言

3．2 初始模型及模拟过程

3．3 模拟结果和结果分析

3．3．1 孪晶对纳米金属铝机械特性的影响

3．3．2 堆垛层错对纳米金属铝机械特性的影响

第4章 纳米FCC金属Al中孪晶对裂纹的影响

4．1 引言

4．2 初始模型及模拟过程

4．3 模拟结果和结果分析

4．3．1 孪晶对平行于孪晶界面裂纹的影响

4．3．2 孪晶对垂直于孪晶界面裂纹的影响

第5章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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