单晶Cu纳米线加工硬化现象的分子动力学研究

论文摘要

加工硬化现象普遍存在于金属塑性加工过程中。长久以来,这种现象一直吸引着人们的注意力。当在低温(T<0.3Tm)条件下施加应力时,加工硬化可以在2个甚至3个数量级内改变韧性材料的强度,因此许多学者对它进行了大量研究,但其中大多数研究仅局限于宏观范畴。晶体是由大量的原子有序排列而成,材料的强度来源于原子间的相互作用,塑性来源于原子间的相互运动,因此,直接从原子尺度上对材料的微观力学行为进行研究非常有必要。分子动力学方法可以直接对原子的运动进行观察,从而分析材料的变形机理。为了研究纳米单晶材料的加工硬化现象,本文以分子动力学为主要研究手段,模拟了单晶Cu的三维拉伸、压缩过程,分析微观塑性变形机制,并研究了缺陷对材料力学性能的影响。本文模拟采用EAM势函数描述原子间的相互作用情况,共轭梯度算法用于求解运动方程,并采用中心对称参数表征晶体缺陷类型。在此基础上研究了单晶Cu纳米线0K下的单向拉伸、压缩过程。分别从位错机制、硬化现象及拉、压不对称性三个方面对模型的微观变形过程进行分析。结果表明:单晶铜纳米线的屈服通过{111}<112>部分位错的形核和扩展实现,塑性变形由堆垛层错的形成所主导。位错交割及位错与层错的相互作用可以引起屈服应力升高。研究最终发现,单晶纳米线没有加工硬化现象发生。带孔洞的单晶Cu拉伸模拟主要研究了缺陷对材料弹性模量和屈服应力的影响规律。结果表明:随孔洞体积分数的增大,材料的弹性模量和屈服应力近线性降低,塑性变形提前。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 材料微观塑性行为的分子动力学研究进展
• 1.2.1 位错网络拓扑奇异单元的预测
• 1.2.2 材料加工硬化过程的位错机制
• 1.3 微纳米材料力学性能模拟研究进展
• 1.3.1 单晶纳米线单向加载的模拟研究
• 1.4 本课题研究的内容、目的及意义
• 第2章 分子动力学模拟的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学模拟的基本思想和理论基础
• 2.2.1 分子动力学基本运动方程
• 2.2.2 原子间相互作用势
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 算法选择
• 2.2.5 温度控制
• 2.2.6 能量计算
• 2.2.7 分子动力学模拟过程
• 2.3 本章小结
• 第3章 单晶Cu纳米线单向加载的分子动力学模拟
• 3.1 引言
• 3.2 算法及模型
• 3.2.1 模拟方法
• 3.2.2 计算模型
• 3.2.3 中心对称参数
• 3.3 单晶Cu拉伸过程分析
• 3.3.1 驰豫过程
• 3.3.2 拉伸过程
• 3.3.3 位错机制
• 3.3.4 硬化现象分析
• 3.4 单晶Cu轴向压缩过程微观分析
• 3.4.1 变形过程
• 3.4.2 硬化现象分析
• 3.5 拉/压不对称性
• 3.6 本章小结
• 第4章 孔洞对单晶Cu材料力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 孔洞模型及算法
• 4.2.1 孔洞模型
• 4.2.2 模拟方法
• 4.3 孔洞对弹性模量的影响
• 4.4 孔洞对屈服应力的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢