纳米金属单晶力学行为和力学性能及其尺度效应的分子动力学研究

摘要

本文建立了适合于模拟纳米金属材料力学行为和性能的分子动力学计算模型，研究了面心立方晶格与体心立方晶格纳米金属丝、纳米薄膜和纳米固体的力学性能、变形机理以及破坏过程；提出了纳米金属力学性能随其尺寸、表面以及加载速率变化的预测公式，并得到验证；采用二维模型和宏-微观耦合的断裂力学理论分析了纳观裂纹的扩展。主要结论有：　　自由表面影响纳米材料的力学行为和力学性能。金属纳米丝和纳米薄膜在无外载荷作用时都存在本征应力和高于理想晶体的初始能量，变形都从表面晶格开始向内部晶格深入。纳米丝的变形过程中出现位错和原子台阶；纳米固体的变形表现为内部晶格的原子滑移。　　单晶纳米金属材料的断裂强度接近晶格理论强度，符合Griffith理想晶体断裂理论。　　体心立方金属的初始弹性模量“软化”严重，体心立方金属纳米丝和薄膜的拉伸模量在屈服阶段后增大，出现“应变刚化”现象；面心立方金属的弹性模量略小于宏观粗晶。　　相同条件下体心立方金属的塑性高于面心立方金属，其屈服强度和初始弹性模量均低于面心立方晶格金属，但屈服阶段早于面心立方晶格金属出现，持续时间更长。　　面心立方晶格纳米金属丝的拉伸破坏过程中存在短暂的屈服时间，屈服应变只与金属本身有关，与模型尺寸及加载速率等无关。　　面心立方金属纳米丝的屈服强度和初始弹性模量与尺寸对数及应变率对数呈现双线性关系，断裂强度与截面尺寸的负指数以及应变率对数呈双线性关系。同一纳米丝的屈服强度、断裂强度和初始弹性模量与加载速率的对数呈线性上升关系；加载速率相同时，屈服强度和弹性模量与尺寸的对数呈线性上升，断裂强度随截面尺寸增加呈一阶指数衰减。　　相同模型的纳米丝原子能量和应力水平低于纳米薄膜，延性高于纳米薄膜。　　结合原子镶嵌势的二维模型能准确地模拟平面纳观裂纹的扩展，揭示在远场应力作用下裂纹区原子的运动规律和应力、能量变化过程。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1选题目的和意义

1.2研究状况和进展

1.2.1纳米材料和科学

1.2.2纳米力学

1.3本文的研究

第2章分子动力学模拟的原理与方法

2.1分子动力学基本原理

2.2原子间作用势函数

2.2.1对势模型

2.2.2镶嵌原子法(EAM)

2.3分子动力学模拟方法

2.3.1几何模型的建立

2.3.2初始条件和边界条件

2.3.3温度控制

2.3.4压力控制

2.3.5时间积分算法和时间步长

2.3.6分子动力学方法的不足与多尺度计算

2.4纳米尺度的力学量表述

2.5本文的分子动力学模拟

2.6本章小结

第3章纳米金属力学性能和力学行为研究

3.1金属纳米丝的力学性能和力学行为研究

3.1.1 FCC单晶纳米丝拉伸破坏的分子动力学模拟

3.1.2 BCC单晶纳米丝的拉伸破坏

3.2金属纳米薄膜的力学性能和力学行为研究

3.2.1 FCC单晶纳米薄膜的拉伸破坏

3.2.2 BCC单晶纳米薄膜的拉伸破坏

3.3金属纳米固体的力学性能和力学行为研究

3.3.1纳米固体的拉伸破坏

3.3.2纳米固体的剪切破坏

3.4本章小结

第4章纳米金属的尺度效应研究

4.1纳米金属的应变率效应

4.2纳米金属的尺寸效应

4.3纳米金属的表面效应

4.3.1金属单晶表面效应的分子动力学模拟

4.3.2表面效应的拟合分析

4.4尺度效应的综合分析及验证

4.5本章小结

第5章裂纹扩展的分子动力学模拟和宏微观分析

5.1二维裂纹扩展分子动力学模拟

5.2基于原子间作用的宏观断裂力学分析

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻博期间论文情况

致 谢