循环加载条件下纳米晶铜的分子动力学模拟
发布时间：2021-07-29 07:50
使用分子动力学模拟（MD）来研究晶粒尺寸为5 nm的纳米晶Cu的疲劳行为。疲劳模拟是在±5%的应变幅度下进行5个周期的循环加载,分别模拟三种具有不同尺寸孔洞的样品。分子动力学模拟结果表明,循环加载下的变形行为主要是堆垛层错的部分位错滑移。随着孔洞尺寸的增加,材料变形的主要机制从整个模型的剪切变形演变到主要在孔洞边缘引起的局部应力集中。MD模拟结果表明,应力-应变行为的特征是初始软化,其次是硬化,这种现象也与空洞的尺寸有关。
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(06)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
三种不同尺寸孔洞的纳米铜样本的微观结构演变图
为了进一步确认和量化晶粒的粗化现象，计算了无序原子的数目，并将其表示为有关循环周期的函数，如图5(a）所示。无序原子主要包括晶界原子，所以无序原子数目的百分比是晶界面积的占比。从图5(a）可看出，随着循环次数的增多，无序原子的百分比逐渐减小，无序原子百分比的整体减小表明总晶界面积随循环变形的增加而减小。在相同循环周期内，孔洞的直径不同，无序原子的百分比也不同。孔洞的直径越小，无序原子数的百分比越小。这表明较小的孔洞直径将导致晶粒生长速度加快。在纳米晶材料中，众所周知的是，晶粒尺寸和屈服强度与反Hall-Petch方程相关。基于此，图2中屈服强度的增加可归因于晶粒尺寸的增加。为了理解初始硬化，堆垛层错原子百分比关于循环周期的函数计算如图5(b）所示。在循环加载早期，只有部分晶粒的变形被激活，晶粒尺寸保持稳定，随后未变形的晶粒位错源被连续激活，堆垛层错比例迅速增加，导致循环软化。循环加载后期，晶粒生长使得晶粒尺寸变大，位错源（晶界）减少，堆垛层错趋于稳定。这种位错源的减少导致循环硬化。由于孔洞的尺寸不同，晶粒的生长速度也不同，这导致了不同尺寸孔洞的循环硬化开始的周期也不同。3 结论
图4为通过渲染，得到的不同孔洞尺寸的纳晶铜的晶粒结构示意图。图4显示了在张力的总应变为5%时，三种直径的孔洞在第一、第三、第五周期的渐进塑性变形过程。塑性变形主要由部分位错成核的晶界滑移引起的。变形机制主要是晶界活动。随着应变和循环次数的增加，位错运动主要产生相互平行的堆垛层错。可以看出，塑性变形在第一次循环中仅在很少的晶粒中被激活。部分位错首先在小晶粒中形成，随着周期数的增加，更多的晶粒参与变形过程。在一个晶界成核的部分位错向相反的晶界移动，最终被消灭。部分位错的滑移和湮灭在晶粒内留下堆垛层错带。通过比较图4(a）、（b）、（c），还可发现，循环变形过程中晶粒堆垛层错的产生受到给定孔洞尺寸的影响明显，孔洞尺寸越大，产生的堆垛层错越少。来自非相关孪晶界（ICTB）的部分位错的连续成核和它们在应变反转时的反向运动将ICTB转变成相关孪晶界。通过观察图4(a)～(c）可看出，在循环加载过程中，随着循环次数的增加，晶粒内部产生越来越多的孪晶界，而孪晶界在后来的塑性变形中保持高度稳定。循环加载早期，位错主要发生在较小的晶粒内，随着循环次数的增加，小晶粒逐渐被吞噬，这说明小晶粒区域的位错更为活跃。晶粒生长是因晶粒转动引起的一系列晶界迁移和粗化的结果，这与变形过程中材料受到的高剪切应力密切相关。晶粒生长和粗化的结果是，在循环加载结束时，样品中存在体积较大但数量较少的晶粒。初步分析表明，晶粒生长是由于晶粒上部分位错的不断撞击造成的。为了更好理解晶粒生长现象，进一步的分析正在进行中。为了进一步确认和量化晶粒的粗化现象，计算了无序原子的数目，并将其表示为有关循环周期的函数，如图5(a）所示。无序原子主要包括晶界原子，所以无序原子数目的百分比是晶界面积的占比。从图5(a）可看出，随着循环次数的增多，无序原子的百分比逐渐减小，无序原子百分比的整体减小表明总晶界面积随循环变形的增加而减小。在相同循环周期内，孔洞的直径不同，无序原子的百分比也不同。孔洞的直径越小，无序原子数的百分比越小。这表明较小的孔洞直径将导致晶粒生长速度加快。在纳米晶材料中，众所周知的是，晶粒尺寸和屈服强度与反Hall-Petch方程相关。基于此，图2中屈服强度的增加可归因于晶粒尺寸的增加。为了理解初始硬化，堆垛层错原子百分比关于循环周期的函数计算如图5(b）所示。在循环加载早期，只有部分晶粒的变形被激活，晶粒尺寸保持稳定，随后未变形的晶粒位错源被连续激活，堆垛层错比例迅速增加，导致循环软化。循环加载后期，晶粒生长使得晶粒尺寸变大，位错源（晶界）减少，堆垛层错趋于稳定。这种位错源的减少导致循环硬化。由于孔洞的尺寸不同，晶粒的生长速度也不同，这导致了不同尺寸孔洞的循环硬化开始的周期也不同。
本文编号：3308929
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(06)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
三种不同尺寸孔洞的纳米铜样本的微观结构演变图
为了进一步确认和量化晶粒的粗化现象，计算了无序原子的数目，并将其表示为有关循环周期的函数，如图5(a）所示。无序原子主要包括晶界原子，所以无序原子数目的百分比是晶界面积的占比。从图5(a）可看出，随着循环次数的增多，无序原子的百分比逐渐减小，无序原子百分比的整体减小表明总晶界面积随循环变形的增加而减小。在相同循环周期内，孔洞的直径不同，无序原子的百分比也不同。孔洞的直径越小，无序原子数的百分比越小。这表明较小的孔洞直径将导致晶粒生长速度加快。在纳米晶材料中，众所周知的是，晶粒尺寸和屈服强度与反Hall-Petch方程相关。基于此，图2中屈服强度的增加可归因于晶粒尺寸的增加。为了理解初始硬化，堆垛层错原子百分比关于循环周期的函数计算如图5(b）所示。在循环加载早期，只有部分晶粒的变形被激活，晶粒尺寸保持稳定，随后未变形的晶粒位错源被连续激活，堆垛层错比例迅速增加，导致循环软化。循环加载后期，晶粒生长使得晶粒尺寸变大，位错源（晶界）减少，堆垛层错趋于稳定。这种位错源的减少导致循环硬化。由于孔洞的尺寸不同，晶粒的生长速度也不同，这导致了不同尺寸孔洞的循环硬化开始的周期也不同。3 结论
图4为通过渲染，得到的不同孔洞尺寸的纳晶铜的晶粒结构示意图。图4显示了在张力的总应变为5%时，三种直径的孔洞在第一、第三、第五周期的渐进塑性变形过程。塑性变形主要由部分位错成核的晶界滑移引起的。变形机制主要是晶界活动。随着应变和循环次数的增加，位错运动主要产生相互平行的堆垛层错。可以看出，塑性变形在第一次循环中仅在很少的晶粒中被激活。部分位错首先在小晶粒中形成，随着周期数的增加，更多的晶粒参与变形过程。在一个晶界成核的部分位错向相反的晶界移动，最终被消灭。部分位错的滑移和湮灭在晶粒内留下堆垛层错带。通过比较图4(a）、（b）、（c），还可发现，循环变形过程中晶粒堆垛层错的产生受到给定孔洞尺寸的影响明显，孔洞尺寸越大，产生的堆垛层错越少。来自非相关孪晶界（ICTB）的部分位错的连续成核和它们在应变反转时的反向运动将ICTB转变成相关孪晶界。通过观察图4(a)～(c）可看出，在循环加载过程中，随着循环次数的增加，晶粒内部产生越来越多的孪晶界，而孪晶界在后来的塑性变形中保持高度稳定。循环加载早期，位错主要发生在较小的晶粒内，随着循环次数的增加，小晶粒逐渐被吞噬，这说明小晶粒区域的位错更为活跃。晶粒生长是因晶粒转动引起的一系列晶界迁移和粗化的结果，这与变形过程中材料受到的高剪切应力密切相关。晶粒生长和粗化的结果是，在循环加载结束时，样品中存在体积较大但数量较少的晶粒。初步分析表明，晶粒生长是由于晶粒上部分位错的不断撞击造成的。为了更好理解晶粒生长现象，进一步的分析正在进行中。为了进一步确认和量化晶粒的粗化现象，计算了无序原子的数目，并将其表示为有关循环周期的函数，如图5(a）所示。无序原子主要包括晶界原子，所以无序原子数目的百分比是晶界面积的占比。从图5(a）可看出，随着循环次数的增多，无序原子的百分比逐渐减小，无序原子百分比的整体减小表明总晶界面积随循环变形的增加而减小。在相同循环周期内，孔洞的直径不同，无序原子的百分比也不同。孔洞的直径越小，无序原子数的百分比越小。这表明较小的孔洞直径将导致晶粒生长速度加快。在纳米晶材料中，众所周知的是，晶粒尺寸和屈服强度与反Hall-Petch方程相关。基于此，图2中屈服强度的增加可归因于晶粒尺寸的增加。为了理解初始硬化，堆垛层错原子百分比关于循环周期的函数计算如图5(b）所示。在循环加载早期，只有部分晶粒的变形被激活，晶粒尺寸保持稳定，随后未变形的晶粒位错源被连续激活，堆垛层错比例迅速增加，导致循环软化。循环加载后期，晶粒生长使得晶粒尺寸变大，位错源（晶界）减少，堆垛层错趋于稳定。这种位错源的减少导致循环硬化。由于孔洞的尺寸不同，晶粒的生长速度也不同，这导致了不同尺寸孔洞的循环硬化开始的周期也不同。
本文编号：3308929
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