不同取向纳米孪晶镁形变机制的分子动力学模拟

摘要

纳米孪晶金属优异的综合力学性能源于其独特的塑性变形机制。大量实验测试、计算模拟和理论分析研究结果显示，位错-孪晶界的交互作用是决定纳米孪晶金属宏观力学性能的本征原因，而这本质上不同于多晶体材料中位错-晶界之间的交互作用。事实上，孪晶的微观结构特征（如孪晶片层厚度、孪晶长度、孪晶界取向等）以及外在加载方式等均会直接影响变形过程中可启动位错类型，从而显著影响位错与孪晶界的反应结果。因此，本文利用分子动力学方法，对不同取向的{10(1)2}<10(1)(1)>纳米孪晶镁施加单轴拉伸与压缩荷载及剪切荷载，分析并讨论了各自的力学性质及塑性变形机制。主要取得如下进展:
　　(1)不同取向{10(1)2}<10(1)(1)>纳米孪晶镁在拉伸荷载下的变形机制为:取向角度较小时，孪晶位错滑移导致的孪晶界迁移和基面位错滑移导致的面心立方相变共同主导变形过程;随着角度的增大，孪晶面上切应力分量增加，材料变形机制全部为转变为孪晶位错活动导致的晶界迁移和去孪生，没有相变发生。取向为10°时，在9nm-17nm的范围内，孪晶界间距对模型的微结构演化影响不大。不同取向{10(1)2}<10(1)(1)>纳米孪晶镁模型在不同温度下拉伸的变形过程基本相似，所不同的是随着温度的升高，孪晶位错活动启动时所对应的应变减小;而基面位错发射时所对应的应变相差不大。随着温度的升高，模型的屈服强度逐渐降低，但流动应力变化不大。
　　(2)不同取向{10(1)2}<10(1)(1)>纳米孪晶镁在压缩荷载下的变形机制主要表现为孪晶位错滑移导致的孪晶界迁移和孪晶界迁移所导致的去孪生，只有在角度较小时(10°)在加载后期才会观察到基面位错的发射。模型只有很小的线弹性阶段（≦1.2％），且随着角度的增加，线弹性阶段越短。取向为10°时，在9nm-17nm的范围内，孪晶界间距对模型的微结构演化影响不大。不同取向的{10(1)2}<10(1)(1)>纳米孪晶镁模型在不同温度下单轴压缩的变形过程也表现为:在模型刚加载（即应变极小时）时就已经有孪晶位错的形核，且孪晶界迁移时的应变也极小;当温度较高时，基面位错会比较早的发射;随着温度的升高，模型去孪生和基面位错发射时的应变虽然变化不大，但随着温度的升高应变减小。
　　(3)在剪切作用下，{10(1)2}<10(1)(1)>纳米孪晶镁的塑性变形机制为孪晶位错的形核及沿孪晶界的移动，造成的孪晶界迁移及去孪生的发生。在7nm至15nm范围内，孪晶界间距对模型的力学性能影响不大。温度和应变率对剪切荷载下纳米孪晶镁力学性能都有显著的影响。随着温度的升高，模型的屈服强度随之降低，屈服时的应变也减小了，同时模型的流动应力的大小也减小;但随着温度的升高，流动应力变化的趋势越来越稳定。随着应变率的增大，模型的屈服强度逐渐降低，但是模型的流动应力基本保持不变。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 晶界及孪晶界

1．1．1 晶界结构及其分类

1．1．2 孪晶界结构及其分类

1．2 纳米孪晶材料中塑性变形机制及其对力学性质的影响

1．3 分子动力学方法与原理

1．3．1 基本原理

1．3．2 原子间作用势

1．3．3 边界条件

1．3．4 分子动力学系综

1．3．5 缺陷分析方法

1．4 本文研究内容

2 不同取向的{10-12}〈10-1-1〉纳米孪晶镁单轴拉伸的研究

2．1 引言

2．2 模拟方法

2．2．1 孪晶界结构及模型建立

2．2．2 模拟过程

2．3 模拟结果与讨论

2．3．1 变形机制分析及孪晶间距效应

2．3．2 温度对不同取向纳米孪晶镁变形机制的影响

2．4 本章小结

3 不同取向的{10-12}〈10-1-1〉纳米孪晶镁单轴压缩的研究

3．1 引言

3．2 模拟方法

3．2．1 孪晶界结构及模型建立

3．2．2 模拟过程

3．3 模拟结果与讨论

3．3．1 变形机制分析及孪晶间距效应

3．3．2 温度对不同取向纳米孪晶镁变形机制的影响

3．3．3 单轴拉伸与单轴压缩力学性能的比较

3．4 本章小结

4 不同条件下的{10-12}〈10-1-1〉纳米孪晶镁剪切行为的研究

4．1 引言

4．2 模拟方法

4．2．1 孪晶界结构及模型建立

4．2．2 模拟过程

4．3 模拟结果与讨论

4．3．1 变形机制及孪晶界间距效应

4．3．2 温度与应变率对变形机制的影响

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

作者简历

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