铜剧烈塑性变形微观缺陷演化机理的分子动力学模拟

发布时间：2020-09-17 17:22

　　近些年来,随着科技的发展,对材料性能的要求越来越高。而纳米金属材料在越来越多的领域都得到了广泛的应用,正是因为纳米晶体材料具有的特殊力学性质,如晶粒尺寸在纳米级别的材料,它的硬度,强度和延展性等都远远优于普通材料。如果能够更加清楚地了解金属材料微观缺陷对其性能的影响,就可以通过改变材料的微结构来提高金属的性能。因此,了解纳米金属材料的力学性质进而熟悉微结构变形机制,对于设计出满足人们需求的应用材料具有重大的意义。本文从微观尺度出发,运用分子动力学模拟方法,对单晶Cu的剧烈塑性变形过程进行模拟计算,研究材料塑性变形过程中位错的微结构演化机理,并通过可视化软件对该材料不同阶段的微结构模拟过程进行分析。研究了纳米面心立方金属的变形机制中位错结构的演化,即位错增殖、位错塞积、晶界的运动等等,从而探究其对宏观性能的影响,最后与单晶Ni的模拟结果进行对比。模拟结果表明:在塑性变形过程中,位错主要以弗兰克—里德增殖源机制进行增殖;单晶Cu和Ni在拉伸阶段,滑移面与滑移方向趋于拉伸轴线方向,在压缩阶段,滑移面逐渐与压力轴线的方向垂直,同时结合铜和镍位错密度的对比发现,材料中出现的晶界越多,位错密度越大;对应力与密度的关系进行分析,得出材料塑性变形时,材料内部必然存在着位错的开动、增殖与消亡,而这些位错的运动最终达到结构细化的目的。
【学位单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O614.121;TB383.1
【部分图文】：

示意图,金属单晶,几何模型

2.1 计算模型的建立在晶体学中，常见的金属晶体结构以原子排列顺序的不同可分为三类，包心立方结构（BCC）、面心立方结构（FCC）、密排六方结构（HCP）。其课题主要研究的面心立方结构的金属，涉及到的金属有 Cu 和 Ni 等。本文究对象主要为金属铜（Cu）。单晶铜中几何模型的原子是按照理想面心立方结构（FCC）排布的，在构型时使面心立方晶体中的[1 0 0]、[0 1 1]、[0 -1 1]三个晶向分别对应 X、Y个坐标轴，以便于观察位错的运动规律。初始时构建模型的几何尺寸为 100100 nm×1.0 nm，模拟体系中 Cu 原子总数为 868672 个。铜的晶格常数为=0.3615nm。模型 X、Y 和 Z 轴方向均采用周期性边界条件。由于所建模型相对很小，因此可以把模型近似的作为一个平面问题来考虑。为了更好的观分析，我们运用软件对模拟进行可视化分析的同时，先对原子进行着色，绿示面心立方结构的原子，红色表示密排六方结构的原子，白色表示其他结构子，再输出模型内部微结构示意图。图 2-1 为建模完成之后的初始几何模型图：

示意图,加载过程,示意图

内蒙古工业大学硕士学位论文.2.2 计算模型的初始条件和加载方式本文运用分子动力学模拟方法，采用嵌入原子（EAM）势函数，在等温（NPT）系综下进行，通过调节系统的体积来保持压强恒定为 5GPa。控温选用 Berendsen 热浴法[39]，使体系温度保持在 300K。X、Y、Z 都采用周期界条件，积分方法选择 Verlet 算法，使应变率控制在 1.265×109s-1左右。利子动力学模拟软件 Lammps 对建立的计算模型进行分子动力学的剪切模拟，利用可视化软件 Ovito 观察和分析材料内部的微观组织结构的变化。加载原理均为剪切变形，根据加载方式造成的模型表观现象可以解释为先轴方向剪切一个周期（称之为剪切阶段），再沿 Y 轴拉伸一个周期（称之伸阶段），使模型在 Y 轴方向总长度变为原来模型尺寸的二倍。最后沿 Y 缩一个周期（称之为压缩阶段），使模型压缩至模型的拉伸前的尺寸，停止。加载过程示意图如图 2-2 所示。

示意图,位错,示意图,位错增殖

（b）出现较少的两种位错图 2-3 各类位错示意图Fig.2-3 Schematic of various dislocations2.3.1 位错增殖位错的研究中，位错增殖的研究必不可少，起着基础性作用。晶体内原本处在滑移面上的位错数目不会太多，不足于解释塑性变形过程中必不可少的大量滑移现象，从而使得位错的增殖显得尤为重要。在完整的晶体中，产生位错所需的能量很高，接近于理论强度。因此，要用位错理论来解释塑性变形，需要有一个可以在应力作用下源源不断产生位错的机制，也就是位错增殖机制。晶体中的位错在经过一定形式运动的同时，自身不断产生新的位错环或大幅度增加位错线长度，从而使材料中的位错数目或位错密度在运动中不断增大的过程，这就是位错增殖的过程。位错的增殖机制主要有三种：弗兰克-里德位错源（Frank-Read source）机制、双交滑移增殖机制和攀移增殖机制。能使位错增殖发生的特殊位错组态或

【参考文献】