纳米晶材料断裂和耦合晶界运动的分子动力学模拟

摘要

由于具有诸多优异的特性，晶粒尺寸处于纳米量级的纳米晶材料近年来引起广泛的关注，然而较差的断裂韧性制约了它的工程应用。众所周知，与粗晶材料由晶内位错主导的塑性变形机制不同，纳米晶材料的塑性变形由晶界相关机制主导。研究不同加载条件下纳米晶材料的开裂和耦合晶界运动，对于深化纳米晶材料增韧和变形机理的认知、推动纳米晶材料的优化设计和改进，具有重要的学术意义和应用价值。本文采用分子动力学方法，围绕梯度纳米晶材料的开裂行为，以及单调和循环剪切加载条件下纳米晶的耦合晶界运动响应开展了研究，取得的主要创新性研究成果如下：
　　（1）研究了具有不同晶粒尺寸梯度分布的纳米晶材料在单调拉伸载荷作用下的裂纹扩展行为。分析发现，具有较大晶粒尺寸梯度的纳米晶试样不仅可以调动更多的原子来抵抗开裂，而且其开裂模式也会从沿晶开裂转变为穿晶开裂，因此具有较强的抵抗裂纹扩展的能力。与之相反，具有均匀分布的晶粒尺寸和较小晶粒尺寸梯度的纳米晶材料表现出沿晶开裂行为。通过原子构型演化观察、Schmid因子计算、缺陷原子比例分数统计、能量耗散分析和应力强度因子计算，分析了开裂现象背后的内在物理机制。
　　（2）模拟了单调剪切载荷作用下纳米晶的耦合晶界运动。与双晶中耦合晶界运动不同，纳米晶中耦合晶界运动由于受到三叉晶界的钉扎作用而出现饱和现象。在晶界运动过程中，纳米晶中的有序晶界结构通过基本结构单元转变的方式逐渐转变为无序结构。耦合晶界运动的两个组成部分法向迁移和切向运动，在变形过程中同时萌生和饱和。虽然晶界法向迁移和晶界切向运动都会受到晶粒尺寸的显著影响，但是耦合因子受晶粒尺寸的影响却很小。此外，还分析了材料和温度对纳米晶耦合晶界运动的影响。
　　（3）研究了受循环载荷作用的纳米晶的变形行为和晶界响应，在受循环剪切载荷作用的纳米晶中首次观察到晶界迁移滞回现象。在循环载荷作用下，晶界中间段的基本结构单元转变是可逆的，而晶界两端从三叉晶界开始的有序结构单元却不可逆地转变为无序结构。无序晶界的长度和残余晶界迁移位移随着循环应变变程的增大而增大。当整个晶界都转变为无序结构时，晶界迁移滞回现象会随之消失。因此循环载荷对晶界迁移行为的影响有着累积的疲劳效应。除晶界运动以外，在卸载过程中还发现了位错回撤和由局部应力反向引起的位错萌生。
　　（4）将最大应变和应变幅作为表征循环载荷特性的两个参量，分析了它们对纳米晶中耦合晶界运动的影响。当应变幅固定时，无序晶界的长度随着剪切应变的增大而单调增长，并最终导致晶界迁移滞回行为的消失。当最大应变固定在较小的应变时，晶界脱节的萌生、运动和塞积几乎不会受到位错的影响，因此应变幅的改变对晶界迁移滞回的影响也较小。当最大应变固定在较大的应变时，位错的侵入作用不仅会扰乱有序晶界的结构，还会改变晶界运动钉扎点的位置。在这种情况下，应变幅的改变会显著地影响有序晶界的长度，并进而影响晶界迁移滞回行为。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文主要内容

2 含预裂纹的梯度纳米晶材料的开裂行为

2.1 引言

2.2 计算模型和方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 单调加载下纳米晶耦合晶界运动的启动、演变和饱和

3.1 引言

3.2 计算模型和方法

3.3 纳米晶Ni中耦合晶界运动的特征

3.4 晶粒尺寸、材料和温度对耦合晶界运动特征的影响

3.5 本章小结

4 循环加载下纳米晶的晶界迁移滞回行为

4.1 引言

4.2 计算模型和方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 循环载荷参量对纳米晶晶界运动的影响

5.1 引言

5.2 计算模型和方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间参与的项目