金属纳米材料塑性变形机制及尺寸效应的分子动力学研究

摘要

纳米科技的发展使人们逐渐认识到，当材料和构件的尺度达到纳米量级时，其力学行为和宏观尺度下存在显著不同，呈现出很多力学新现象。从微观角度了解材料在纳米尺度下的力学性能和变形机制，对微纳米材料和器件的设计和应用至关重要。所以，金属纳米材料的塑性变形研究已成为纳米力学中的热点问题。目前为止，尚没有成熟的理论模型来描述纳米尺度下材料和构件的力学行为;受实验条件和技术的限制，现阶段完全通过实验手段也无法彻底了解金属纳米材料的力学性能和变形机制。近年来，分子动力学模拟研究逐渐成为理论研究和实验研究的有力补充，成为纳米尺度力学研究中的重要工具。分子动力学研究可以对微结构演化过程进行直接观察，分析材料各个变形阶段的力学行为，并揭示其内在变形机理。因此，本文采用分子动力学模拟的方法，对以纳米薄膜和纳米柱为代表的金属纳米材料中一些特殊的力学行为及微观塑性变形机制进行了研究和讨论。主要研究工作及取得的进展如下:
　　1.对纳米铜薄膜单轴拉伸的塑性变形机制进行了模拟和讨论，给出了纳米铜薄膜中大量存在的空位型缺陷的位错形核机制，并探讨了相关尺寸效应行为。研究表明，对于[100]及[111]两种不同取向的铜薄膜，主要的塑性变形机制是不全位错及层错的形核和运动;不全位错及层错的相互作用产生大量空位型缺陷，并以单空位、层错四面体(SFT)和不规则空位团等形式存在。此外，对不同厚度铜薄膜屈服强度的讨论表明，随薄膜厚度(H)增加，屈服强度（σ）降低，满足σ∝H-m规律，指数m的取值与塑性变形过程中薄膜是否发生取向转变有关。
　　2.对面心立方结构的铝纳米柱的压缩形变过程进行了模拟，给出了纳米柱压缩中应力-应变曲线呈锯齿状形态的原因，表明位错的形核及逃逸机制对纳米柱的力学性能起重要作用。研究表明，不同晶体取向的纳米柱塑性变形的微观机制不同。在[001]取向的纳米柱中，包裹在部分位错内部的层错以及微孪晶是塑性变形的主要机制;对于[111]、[112]和[(26)5]三种取向的纳米柱，塑性变形主要由全位错的形核及运动来主导。尺寸效应分析表明，初始的屈服是由位错的表面形核导致的，屈服强度与直径之间满足σ∝D-m关系。研究还发现，拥有较少滑移系的晶格取向以及较小的几何特征尺寸都有利于晶体内部的位错逃逸行为，使纳米柱可以在很短的时间内达到“位错匮乏”状态，并引起流动应力呈锯齿状振荡。此外，结合相关试验进一步给出了含表面“涂层”纳米柱的塑性变形机制，为上述结论提供了有效验证。
　　3.研究了密排六方结构的单晶镁纳米柱的塑性变形机制，指出拉-压不对称性的微观本质是由于c轴拉伸和压缩机制的不同，并给出了包辛格效应对预应变的依赖规律。首先研究了单晶镁纳米方柱和圆柱在c轴拉伸和压缩不同条件下的塑性变形机制，结果表明:c轴拉伸时塑性变形来自于{10(1)2}孪晶的启动和扩展，而压缩时塑性变形的主导机制是锥面滑移;对应力-应变曲线的分析表明，拉伸和压缩塑性变形机制的不同是导致拉伸和压缩时屈服和流动应力不对称的原因。随后对镁纳米柱在先预压缩再拉伸以及先预拉伸再压缩两种载荷条件下的塑性变形过程进行了模拟，结果表明:先预压缩加载对随后的拉伸塑性变形机制没有太明显的影响;而先预拉伸时导致的塑性变形对随后的压缩形变影响较大，压缩的锥面滑移机制被去孪生所取代。以上结果给出了包辛格效应的内在机理以及其对预应变的依赖规律，指出这些特殊的塑性行为都是材料内部经历了滑移、孪生以及去孪生等演化过程的宏观表现。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 纳米材料与纳米力学

1．1．1 纳米科技与纳米材料

1．1．2 纳米力学及其研究方法

1．2 金属材料纳米尺度塑性变形机制与行为

1．2．1 金属材料塑性变形机制及其尺寸依赖性

1．2．2 微压缩的纳米尺寸效应

1．2．3 微压缩的应力／应变不连续性

1．2．4 镁合金的拉-压不对称性

1．3 本文研究目的和主要内容

第2章 分子动力学方法与原理

2．1 基本原理

2．2 积分算法

2．3 原子间作用势

2．4 初始条件和边界条件

2．5 统计系综及系综调节

2．6 缺陷分析方法

第3章 纳米铜薄膜拉伸变形行为的研究

3．1 引言

3．2 模拟方法

3．2．1 模型的建立

3．2．2 模拟过程

3．3 模拟结果与讨论

3．3．1 应力-应变关系及微观结构演化过程

3．3．2 塑性变形机制分析

3．3．3 空位型缺陷的识别

3．3．4 空位型缺陷的形核与演化

3．3．5 取向效应分析

3．3．6 尺寸效应分析

3．4 本章小结

第4章 铝纳米柱压缩变形行为的研究

4．1 引言

4．2 模拟方法

4．2．1 模型的建立

4．2．2 模拟过程

4．3 模拟结果与讨论

4．3．1 低温条件下不同取向铝纳米柱应力-应变关系

4．3．2 低温条件下不同取向铝纳米柱微观结构演化过程

4．3．3 取向效应分析

4．3．4 温度影响分析

4．3．5 尺寸效应分析

4．3．6 含表面“涂层”铝纳米柱塑性变形机制分析

4．4 本章小结

第5章镁纳米柱塑性变形机制与拉-压不对称性研究

5．1 引言

5．2 几个基本概念

5．2．1 密排六方晶体结构

5．2．2 密排六方结构中的滑移与孪生

5．3 模拟方法

5．3．1 模型的建立

5．3．2 模拟过程

5．4 模拟结果与讨论

5．4．1 镁纳米柱c轴压缩变形机制分析

5．4．2 镁纳米柱c轴拉伸变形机制分析

5．4．3 镁纳米柱拉-压不对称性微观机制分析

5．4．4 镁纳米柱c轴变形的包辛格效应分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论与创新点

6．2 进一步的工作展望

参考文献

作者简历

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